学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于Thermo-Calc热力学计算Al-Cu共晶合金微观组织模拟及实验验证

作　者: 汤进军
导　师: 薛祥
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 微观组织模拟 Thermo-Calc软件相场法 Al-Cu合金定向凝固微观偏析
分类号: TG111.4
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 299次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载

内容摘要

Al-Cu共晶合金广泛应用于航空航天、舰船等军事工业,以及汽车、建材等民用工业,是本世纪发展最快和使用量最多的金属材料之一。该合金典型的特征是在共晶温度附近从液相L中直接生成两种固相,即L→α+β。合金凝固研究的关键就在于控制其最终凝固组织,包括晶粒形态,晶粒度,微观偏析和内部相组成等。当前的相场模型,由于真实合金的自由能数据与相图数据很难精确得到,主要是针对简单溶液模型的合金。本文应用Thermo-Calc商业化软件计算Al-Cu合金在温度(791-841)K,成分(0-35)Cu(at.%)范围内的α相、θ相及液相L的自由能数据与相图数据,并且应用亚规则溶液模型建立计算范围内Al-Cu合金各相连续自由能关系式。同时,把Thermo-Calc计算自由能数据引入相场与浓度场控制方程。采用KKS模型中基于合金原始相图的体系自由能密度构造方法,和WBM模型中不区分界面点的固液相成分来减少计算量的处理,建立能对各种合金熔体液固相变微观组织演化进行模拟的KKS改进相场模型。用改进的相场模型计算了Al-Cu合金在不同状态下的等轴晶微观组织。研究表明随着过冷度的增加,等轴晶生长速度也逐渐增大,等轴晶生长形貌逐渐由不发达二次枝晶等轴晶→发达二次枝晶等轴晶→“正方形”等轴晶→粒状等轴晶转变。微观偏析变化存在一个临界温度,高于此温度的微观偏析随温度的降低偏析程度逐渐加大,而低于此温度时微观偏析迅速降低,并且随着温度的降低逐渐接近于1。在非等温等轴晶生长模拟中,二次枝晶生长没有等温生长发达,枝晶间高熔点液相增多,并且可以看出非等温模拟主枝晶干较等温模拟明显变细。此外,通过引入取向场建立适用于多晶粒形核与生长模型,计算不同条件下Al-Cu合金多晶粒的形核与长大,研究了多晶粒生长的晶粒碰撞、晶粒度和微观偏析等。通过小各向异性多晶粒形核与生长过程,显示晶粒碰撞后两晶粒之间的晶界近乎直线,最终凝固组织为近似多边形。模拟了Al-4.5Cu(at.%)合金在快速Bridgman定向凝固条件下,发生液固相变过程的界面形态和微观结构的动态演化。表明,当生长速度低于维持高速平界面的绝对稳定速度时,随着生长速度的增大,存在胞状树枝晶向细胞晶的微观结构转变,固液界面处溶质富集程度逐渐减小,溶质分配系数增大且不断向1逼近;当生长速度达到该绝对稳定速度时,初始平界面轻微失稳后将再次恢复为平界面,界面处出现溶质的完全截流,形成接近无偏析结构。在控制热流定向凝固中,随着边界热流的增加,凝固组织形貌发生很大变化,从树枝晶→树枝晶与柱状晶并存→柱状晶→细柱状晶的转变。对Nestler多相场模型进行修正,引入各相自由能数据,建立实用性比较强的多相场微观组织模型。研究共晶条件下均匀层片稳定生长和不同位置切面溶质分布。当初始层片α-Al相和θ-Al2Cu相初始层片不均匀时会出现振荡生长。在共晶相生长过程,如果初始层片间距如果不合理,将会发生共晶层片的形核与湮灭及间距再调整,在模拟其组织演化过程的同时,还详细分析了其形成机理。此外,亚共晶成分的Al-Cu合金共晶定向组织进行了模拟计算与分析。最后,对Al-Cu合金不同条件下的等轴晶生长、定向生长、多晶生长和共晶生长过程的模拟结果进行实验验证。表明,在相的生长特性及微观组织形态上,模拟结果与实验结果具有可比性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-48
  1.1 课题背景  15-17
  1.2 .液固相变理论研究现状  17-30
    1.2.1 界面稳定性  17-22
    1.2.2 非平衡溶质再分配  22-24
    1.2.3 自由枝晶稳态生长理论  24-28
    1.2.4 定向凝固条件下界面形态的演化  28-30
  1.3 Thermo-Calc热力学计算软件简介  30-33
  1.4 凝固微观组织模拟研究现状  33-45
    1.4.1 确定性方法（Deterministic Method）  33-34
    1.4.2 概率性方法（Probabilistic Method）  34-36
    1.4.3 相场法(Phase Field Method)  36-45
  1.5 本文主要研究内容  45-48
第2章基于Thermo-Calc的Al-Cu共晶合金热力学计算  48-58
  2.1 引言  48-49
  2.2 Al-Cu共晶合金自由能与相图计算  49-53
  2.3 Al-Cu共晶合金多相自由能数据拟合  53-57
  2.4 本章小结  57-58
第3章 Al-Cu合金单相凝固相场模型构造  58-70
  3.1 引言  58
  3.2 当前液固相变相场模型的构造  58-62
    3.2.1 WBM相场模型  59-60
    3.2.2 KKS相场模型  60-62
  3.3 基于Thermo-Calc热力学计算的相场模型  62-68
    3.3.1 自由能密度函数的合理分布  64-65
    3.3.2 各向异性及扰动的引入  65-66
    3.3.3 数值求解方法  66-67
    3.3.4 初始条件和边界条件  67-68
    3.3.5 计算稳定性  68
  3.4 Al-Cu合金多晶粒形核与生长模型  68-69
  3.5 本章小结  69-70
第4章 Al-Cu合金单相凝固微观组织模拟  70-124
  4.1 引言  70
  4.2 Al-Cu合金等温等轴枝晶凝固  70-87
    4.2.1 Al-Cu合金不同初始成分等温模拟  72-78
    4.2.2 Al-Cu合金不同初始温度等温模拟  78-87
  4.3 Al-Cu合金非等温模拟  87-113
    4.3.1 Al-Cu合金非等温等轴枝晶凝固  87-90
    4.3.2 Al-Cu合金Bridgman定向凝固  90-101
    4.3.3 Al-Cu合金控制热流定向凝固  101-113
  4.4 Al-Cu合金多晶粒形核与生长模拟  113-121
    4.4.1 Al-Cu合金不同初始过冷条件下的多晶粒形核与生长  114-117
    4.4.2 Al-Cu合金小各向异性条件下的多晶粒形核与生长  117-119
    4.4.3 Al-Cu合金非等温边界热流条件下的多晶粒形核与生长  119-121
  4.5 本章小结  121-124
第5章 Al-Cu合金多相凝固微观组织模拟  124-136
  5.1 引言  124
  5.2 Al-Cu合金多相凝固微观组织模型  124-128
    5.2.1 Nestler模型  125-127
    5.2.2 基于Thermo-Calc自由能计算的Nestler改进模型  127-128
  5.3 Al-Cu合金共晶相变微观组织模拟  128-134
    5.3.1 Al-Cu合金稳定生长过程  128-130
    5.3.2 Al-Cu合金振荡生长过程  130-132
    5.3.3 Al-Cu共晶合金层片间距调整生长过程  132-133
    5.3.4 Al-Cu亚共晶合金生长过程  133-134
  5.4 本章小结  134-136
第6章实验验证  136-148
  6.1 引言  136
  6.2 实验方法  136-138
    6.2.1 Al-Cu合金制备  136-137
    6.2.2 实验设备  137-138
  6.3 实验结果和模拟结果比较  138-146
    6.3.1 砂型铸造工艺微观组织  138-142
    6.3.2 钮扣炉铸造工艺微观组织  142-145
    6.3.3 综合比较  145-146
  6.4 本章小结  146-148
结论  148-151
参考文献  151-164
攻读学位期间发表的学术论文  164-166
致谢  166-167
个人简历  167

基于Thermo-Calc热力学计算Al-Cu共晶合金微观组织模拟及实验验证

内容摘要

全文目录

相似论文