二元合金定向凝固過程的相場(chǎng)模擬.pdf

1、金屬凝固過程中形成的微觀組織決定著鑄件的性能和使用壽命，控制微觀組織的形成顯得尤其重要。用相場(chǎng)法進(jìn)行合金凝固時(shí)微觀組織形成過程的模擬，對(duì)優(yōu)化工藝參數(shù)、提高鑄件質(zhì)量，不僅具有重要的理論學(xué)術(shù)意義，而且也具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。 本文在Karma模型的基礎(chǔ)上，建立了耦合溫度場(chǎng)的純物質(zhì)枝晶生長(zhǎng)的相場(chǎng)模型；進(jìn)一步耦合溶質(zhì)場(chǎng)，建立了相場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)、溫度場(chǎng)三場(chǎng)耦合的二元合金定向凝固的相場(chǎng)模型。選用基于均勻網(wǎng)格的顯式有限差分對(duì)控制方程進(jìn)行離散，應(yīng)

2、用C語言實(shí)現(xiàn)相關(guān)程序的編制，對(duì)過冷熔體中純物質(zhì)枝晶生長(zhǎng)過程和定向凝固界面形態(tài)的演化過程進(jìn)行了模擬。采用Tecplot軟件實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的可視化。 在過冷熔體純物質(zhì)枝晶生長(zhǎng)過程中，相場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合系數(shù)λ、熱擴(kuò)散系數(shù)DT界面原子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間參數(shù)t0對(duì)純物質(zhì)過冷熔體中的枝晶生長(zhǎng)形貌有重要影響。研究結(jié)果表明：隨著耦合系數(shù)的增加，晶粒形態(tài)由緊實(shí)枝晶→光滑枝晶→海藻狀形態(tài)；隨著熱擴(kuò)散系數(shù)的增加，晶粒形態(tài)由光滑枝晶→緊實(shí)枝晶；隨著界面原子運(yùn)動(dòng)時(shí)

3、間變量的增加，晶粒形貌由復(fù)雜枝晶→光滑枝晶→緊實(shí)枝晶→球狀形態(tài)。還發(fā)現(xiàn)，純物質(zhì)枝晶生長(zhǎng)過程中的界面動(dòng)力學(xué)系數(shù)取值由相場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合系數(shù)λ、熱擴(kuò)散系數(shù)DT、界面厚度W0、界面原子運(yùn)動(dòng)時(shí)間變量t0等參數(shù)綜合決定；隨著界面動(dòng)力學(xué)系數(shù)β0的增加，枝晶尖端生長(zhǎng)速度Vtip減小，枝晶尖端半徑Rtip增大。 利用相場(chǎng)法可以準(zhǔn)確的對(duì)二元合金定向凝固過程中的界面形態(tài)、晶粒生長(zhǎng)進(jìn)行模擬，成功再現(xiàn)胞晶間競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)過程。在二元合金定向凝固過程中，各向異

4、性系數(shù)γ界面能σ、界面厚度δ對(duì)定向凝固過程中固液界面的形態(tài)及微觀組織演化有重要影響，競(jìng)爭(zhēng)淘汰是胞狀生長(zhǎng)過程中的主要生長(zhǎng)方式。研究結(jié)果表明：在各向同性的情況下，晶體生長(zhǎng)為淺胞狀枝晶生長(zhǎng)；當(dāng)引入各向異性后，隨著各向異性系數(shù)的增大，晶體生長(zhǎng)由淺胞狀枝晶向深胞狀枝晶生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變；隨著界面能和界面厚度的增加，胞晶間的凹坑變淺，晶體生長(zhǎng)由深胞狀枝晶向淺胞狀枝晶轉(zhuǎn)變。 在無擾動(dòng)時(shí)，界面處產(chǎn)生的自擾動(dòng)不能被很快的放大，表面張力的反擾動(dòng)特性使擾動(dòng)最終