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二元合金定向凝固的相场法数值模拟

作 者: 肖荣振
导 师: 王智平;徐建林
学 校: 兰州理工大学
专 业: 材料学
关键词: 相场法 数值模拟 定向凝固 界面形态 微观偏析 溶质截留
分类号: TG27
类 型: 硕士论文
年 份: 2006年
下 载: 232次
引 用: 2次
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内容摘要


定向凝固技术的理论研究也一直是凝固界的重要课题,它提供了一种有效的材料制备和成形方法,在实际生产中得到了越来越广泛的应用。固/液界面形态研究是凝固理论研究的重要组成部分,它与最终的凝固组织和内部缺陷有密切的联系。本文利用相场法微观组织数值模拟技术,对Ni-Cu二元合金定向凝固的界面形态演化过程进行了模拟仿真,刻划了不同模拟条件下的晶体生长方式,探讨了定向凝固中的晶体生长机制。 本文在参阅目前相场理论的基础上,通过相场方程与浓度场方程的耦合,发展了二元合金定向凝固的二维相场模型。基于均匀网格的有限差分法,采用C语言编制了定向凝固晶体生长的相场法数值模拟程序,提出了胞晶尖端生长速度、固相溶质浓度及界面前沿溶质分配系数等的计算方法,利用相关的图像生成软件,采用多点拟合法对相关计算结果进行了动态显示。 考虑到计算量的限制,将界面厚度处理为输入参数,研究了界面厚度参数ξ、各向异性系数γ及热扰动幅值α对模拟结果的影响。结果表明,随着ξ的减小,晶体生长形态由胞晶逐步转变为树枝晶,胞晶尖端生长速度增加,稳定性下降;各向异性系数γ越小,尖端生长速度越小,越易于侧向分支的生长,形成胞状枝晶;热扰动幅值α对界面形态也有重要影响,当α取值适当时,便引发侧向分支,形成胞状枝晶;讨论了界面自由能σ对微观组织的影响,随着σ的增加,得到分布较均匀的细胞晶组织,同时界面前沿溶质扩散层厚度减小。 利用相场法模型研究了二元合金定向凝固的溶质截留效应,研究结果表明,溶质梯度系数δ影响固/液界面处溶质扩散层的厚度和扩散层内的溶质分布,对溶质分配系数k有较大影响,随着溶质梯度系数的增加,溶质分配系数k增大,溶质截留效应越明显。讨论了不同固相溶质扩散系数Ds下的界面形态和溶质分布,随着Ds的增大,胞晶尖端生长速度下降,溶质截留效应减弱;而当固相溶质扩散系数小于10-7cm2/s数量级时,Ds对界面前沿溶质分布没有明显的影响,因此,通常情况下都忽略固相溶质扩散。

全文目录


摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章 绪论  10-22
  1.1 铸造凝固过程数值模拟的发展  11
  1.2 凝固微观组织的数值模拟研究现状  11-14
    1.2.1 微观组织模拟方法  11-14
      1.2.1.1 随机性方法  12
      1.2.1.2 确定性方法  12-14
  1.3 相场法  14-20
    1.3.1 过冷熔体枝晶生长的相场法研究进展  14-17
    1.3.2 定向凝固的相场法模拟研究进展  17-19
    1.3.3 相场法模拟国内研究现状  19-20
    1.3.4 相场法模拟结果的验证  20
  1.4 本文的主要研究工作  20-21
  1.5 本章小结  21-22
第2章 相场模型  22-31
  2.1 相场模型理论  22-24
    2.1.1 引言  22
    2.1.2 朗道理论的基本原理  22-24
    2.1.3 金兹堡-朗道理论  24
  2.2 二维相场模型  24-30
    2.2.1 基本原理  24-26
    2.2.2 二元合金相场模型  26-28
    2.2.3 热扰动  28-29
    2.2.4 合金相场模型参数  29-30
  2.3 本章小结  30-31
第3章 模型方程的离散及程序实现  31-40
  3.1 控制方程的离散  31-34
    3.1.1 控制方程的时间离散  31-32
    3.1.2 控制方程的空间离散  32-34
    3.1.3 方程求解的稳定性条件  34
  3.2 凝固特征参数的计算  34-36
    3.2.1 胞晶尖端生长速度  34-35
    3.2.2 胞晶间距  35
    3.2.3 溶质分配系数  35-36
  3.3 程序实现及可视化处理  36-39
    3.3.1 模拟结果的可视化  36-37
      3.3.1.1 基于 Tecplot的图像显示  36-37
      3.3.1.2 基于 Origin的数据处理  37
    3.3.2 模拟程序的编制  37-39
  3.4 本章小结  39-40
第4章 二元合金定向凝固界面形态的相场法模拟  40-48
  4.1 物性参数的选择  40
  4.2 定向凝固过程界面形态的演化  40-41
  4.3 相场参数对定向凝固界面形态的影响  41-44
    4.3.1 界面厚度对胞晶生长的影响  41-43
    4.3.2 热噪声对胞晶生长的影响  43-44
  4.4 界面特性对微观组织形态的影响  44-47
    4.4.1 各向异性系数对界面形态的影响  44-46
    4.4.2 界面自由能对微观组织的影响  46-47
  4.5 本章小结  47-48
第5章 定向凝固溶质截留效应的相场法模拟  48-58
  5.1 溶质截留效应的相场模型  48-51
  5.2 浓度梯度系数对溶质分布的影响  51-53
  5.3 固相溶质扩散系数对溶质分布的影响  53-55
    5.3.1 固相扩散系数对溶质截留效应的影响  53-54
    5.3.2 固相扩散系数对固相溶质分布的影响  54-55
  5.4 界面动力学系数对溶质分配系数的影响  55-57
  5.5 本章小结  57-58
结论  58-60
参考文献  60-64
致谢  64-65
附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录  65

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 铸造 > 合金铸造
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