相場法模擬二元合金枝晶生長.pdf

1、金屬凝固過程中的枝晶形貌對(duì)所制備材料的宏觀特性有著至關(guān)重要的影響，因此，金屬凝固過程的控制方法一直是材料科學(xué)領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容。在金屬的凝固過程中存在復(fù)雜的熱量、質(zhì)量的傳輸以及界面形態(tài)和界面能的相互作用，所以欲對(duì)凝固過程實(shí)現(xiàn)控制，需要同時(shí)控制較多的參數(shù)和復(fù)雜的邊界條件。這使得采用實(shí)驗(yàn)手段來控制金屬凝固過程變得較為困難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，微觀組織計(jì)算機(jī)模擬已成為研究金屬凝固過程的最重要手段之一。上世紀(jì)八十年代以來，相場法以其簡單明

2、了的表征方法和對(duì)多種組織變化的適應(yīng)性逐步成為材料科學(xué)領(lǐng)域研究微觀組織生長的主要手段。相場法是以金茲堡-朗道理論為基礎(chǔ)，引入相場序參量?，用?=1表示固相，?=0表示液相，中間值則表示界面。通過建立與溫度場和溶質(zhì)場相互耦合的微分方程組，有效地將微觀模擬與實(shí)際宏觀過程結(jié)合起來，從而更加真實(shí)地對(duì)金屬材料的凝固過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。因此，本文采用相場法作為基本方法來研究二元合金的枝晶生長過程。
　　本文首先對(duì)相場法的發(fā)展過程、相變理論及相場

3、模擬方法做了簡單的介紹，以熵增原理及熱力學(xué)定律為基礎(chǔ)，建立起了二元合金在凝固過程中的熱力學(xué)一致性的相場模型，給出了引入各向異性后的相場、溫度場以及溶質(zhì)場相耦合的控制方程組。利用建立好的相場模型對(duì)Zn-Al二元合金的枝晶生長過程進(jìn)行了模擬。采用控制變量法研究了各向異性強(qiáng)度系數(shù)、界面動(dòng)力學(xué)系數(shù)、界面能以及溫度梯度對(duì)枝晶生長過程中的形貌和生長速度的影響。通過分析模擬的結(jié)果，得出了下列結(jié)論：
　　1)隨著各向異性強(qiáng)度系數(shù)的增大，枝晶生長速