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基于KKS模型Al-Cu合金等温凝固过程相场法模拟

作　者: 王帆
导　师: 路阳
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 相场法多晶粒择优生长等温凝固二元合金
分类号: TG27
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 108次
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内容摘要

随着航空业及汽车工业的发展,对铝合金铸件的需求量不断增大,同时对其致密性、微观组织和机械性能的要求也越来越高。用相场方法进行铝合金微观组织形成的模拟,对优化工艺参数、提高铸件质量,具有很重要的实际应用价值。本课题采用Al-2-mole-Cu合金为例去研究金属的凝固过程。本文中,基于KKS模型,采用相场和溶质场两场耦合的方法对Al-2-mole-Cu合金凝固过程中枝晶生长进行了数值模拟。该模型从自由能入手,考虑了动力学各向异性和表面能各向异性的影响,为了模拟枝晶分枝的产生,在相场方程中加入了热扰动项。本文采用Visual C++6.0实现程序的计算,为了提高计算效率和节省计算时间,应用直接差分去求解两场方程,实现宏、微观场之间的耦合,然后以.TXT方式输出计算结果,最后利用Tecplot9.0实现结果的可视化。在模拟过程中,本文从单个晶粒的枝晶生长逐渐扩展到多晶粒相互影响下的枝晶生长,主要研究了各向异性系数、初始晶核浓度梯度与各向异性系数耦合、各向异性系数与过冷度耦合对单晶粒枝晶生长及溶质场分布的影响;溶质偏析对两晶粒枝晶生长与溶质分布的影响;过冷度对多晶粒枝晶生长与溶质分布的影响。模拟逼真的再现了二元合金枝晶的生长和择优等现象。最后,为了验证所建立的二维相场模型以及宏微观耦合方法,对Al-2-mole-Cu合金模拟结果与实验的金相照片进行对比发现,其预测枝晶形貌和实验结果吻合良好。

全文目录

摘要  8-9
Abstract  9-10
第1章绪论  10-20
  1.1 课题的背景与意义  10-12
    1.1.1 课题的背景与目的  10-11
    1.1.2 液态金属结晶对铸件质量的影响  11-12
  1.2 铸造过程数值模拟的发展概况  12-14
    1.2.1 国外研究现状  12-14
    1.2.2 国内研究现状  14
  1.3 铸件微观组织模拟常用的方法及发展概况  14-19
    1.3.1 材料微观模拟的尺度划分  14-16
    1.3.2 确定性方法及发展概况  16-17
    1.3.3 概率方法及发展概况  17-18
    1.3.4 相场方法及发展概况  18
    1.3.5 各种方法的选择和比较  18-19
  1.4 本文的主要研究内容及主线  19-20
第2章凝固理论基础  20-26
  2.1 引言  20
  2.2 相变的基本类型  20-21
    2.2.1 一级相变  20-21
    2.2.2 二级相变  21
  2.3 形核理论基础  21-22
    2.3.1 均质形核  22
    2.3.2 异质形核  22
  2.4 固液界面局部温度分布及动力学过程影响  22-23
  2.5 朗道理论和金兹堡朗道理论  23-25
    2.5.1 简化的朗道理论  23-24
    2.5.2 金兹堡朗道理论  24-25
  2.6 本章小结  25-26
第3章相场模型及数值求解  26-35
  3.1 引言  26
  3.2 相场原理  26-28
    3.2.1 纯金属凝固相场模型  26-27
    3.3.2 二元合金的相场模型  27-28
  3.4 KKS模型  28-30
    3.4.1 相场控制方程  28-29
    3.4.2 溶质扩散方程  29-30
    3.4.3 相场参数  30
  3.5 方程的离散  30-34
    3.5.1 有限差分法简介  31
    3.5.2 有限元法简介  31-32
    3.5.3 方法的比较和选择  32
    3.5.4 控制方程的离散  32-33
    3.5.5 溶质场方程的离散  33-34
  3.6 本章小结  34-35
第4章程序实现及可视化  35-43
  4.1 引言  35
  4.2 主程序的开发  35-40
    4.2.1 总体模块的设计  35-37
    4.2.2 扰动的设定  37
    4.2.3 部分相场参数的计算  37-38
    4.2.4 计算效率的提高  38
    4.2.5 计算区域的处理  38-39
    4.2.6 时间步长的设定  39
    4.2.7 初始与边界条件的设定  39
    4.2.8 数值计算的稳定性  39-40
    4.2.9 物性参数与相场参数  40
  4.3 结果的可视化  40-42
    4.3.1 Tecplot 9.0软件简介  41-42
    4.3.2 结果的显示  42
  4.4 本章小结  42-43
第5章 Al-2-mole-Cu合金等温模拟及结果分析  43-56
  5.1 前言  43
  5.2 等温凝固单晶粒生长过程的模拟  43-50
    5.2.1 各向异性系数对枝晶生长及溶质场分布的影响  43-45
    5.2.2 初始晶核浓度梯度与各向异性系数耦合对枝晶生长和溶质场分布的影响  45-47
    5.2.3 各向异性系数与过冷度耦合对枝晶生长和溶质分布的影响  47-50
  5.3 等温凝固多晶粒生长过程的模拟  50-55
    5.3.1 溶质偏析对两晶粒枝晶生长与溶质分布的影响  50-51
    5.3.2 过冷度对多晶粒枝晶生长与溶质分布的影响  51-54
    5.3.3 模拟结果与实验结果的比较  54-55
  5.4 本章小结  55-56
结论  56-57
参考文献  57-61
致谢  61-62
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  62

基于KKS模型Al-Cu合金等温凝固过程相场法模拟

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