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多元多相合金的热力学描述及其在凝固过程中的应用

作　者: 张瑞杰
导　师: 介万奇
学　校: 西北工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 多元合金热力学计算溶质分凝界面稳定性枝晶生长枝晶间距枝晶粗化共晶分数扩散
分类号: TG111
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

科学研究和工业生产实践中所用的金属材料大多数是具有复杂成分的多元多相合金,对这类材料凝固原理及其组织形成的研究有重要的实际意义。能否将凝固模型应用于生产实际,关键就取决于对多元合金凝固组织的模拟是否成熟。本论文主要结合热力学计算技术,对多元多相合金凝固过程中的溶质分凝现象及其对凝固组织和溶质偏析的影响进行了较为深入的研究。溶质分凝是凝固过程中的重要伴随现象,对凝固过程中的成分偏析及组织形成有着决定性的影响。在多元合金中由于存在复杂的溶质相互作用,用实验相图分析溶质分凝行为并不方便。本文首先从热力学角度出发,建立了溶质分凝因数的热力学计算模型。详细讨论了Al-Cu二元合金和Al-Si-Mg三元合金凝固过程中溶质的分凝行为。结合计算热力学技术,对溶质分凝因数的预测很好地吻合于实验结果。为了快速提取系统的热力学信息,减少计算时间,应用Levenberg-Marquardt算法进行了相图的计算。Levenberg-Marquardt算法采用目标函数的二阶导数,它能够实现计算精度和收敛速度的较好结合。该方法适合于求解二元以及多元合金中的相平衡问题。研究了工业中广泛应用的Al-Si-Mg三元合金凝固过程中的溶质分凝行为,确定了该合金凝固过程中溶质分凝因数与固相分数的定量关系。发现分凝因数随固相分数的变化而显著变化,并且远远偏离其二元系中的数值。定量预测了不同凝固条件下Al-Si-Mg合金的凝固路径及共晶分数。其结果与采用二元分凝因数的预测结果偏差较大,而与实验结果接近。结合溶质分凝的分析,研究了冷却速率对AI-2.06 wt%Si-1.58 wt%Mg合金凝固过程的影响。实验和理论分析均发现,在低的冷却速率下,其凝固过程为:L→L₁+Fcc_Al→L₁+Fcc_Al+Si→L₁+Fcc_Al+Si+Mg₂Si,而在较高的冷却速率下,其凝固过程为:L→L₁+Fcc_Al→L₁+Fcc_Al+Mg₂Si→L₁+Fcc_Al+Si+Mg₂Si。改变凝固速率可以使多元合金的凝固过程按照不同的路径进行,从而达到控制析出相种类的目的。耦合热力学计算技术,提出了多元合金凝固界面的稳定性判据。以Al-0.34

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
论文的主要创新和贡献  9-11
目录  11-14
第1章文献综述  14-38
  1.1 引言  14
  1.2 利用试验相图研究多元合金系的凝固  14-15
  1.3 多元合金的线性化处理  15-16
  1.4 基于线性化假设的多元合金凝固理论  16-21
    1.4.1 平界面凝固中的溶质再分配  16-17
    1.4.2 平界面稳定性分析  17-18
    1.4.3 多元合金的枝晶生长  18-19
    1.4.4 多元合金的二次枝晶粗化和微观偏析  19-21
  1.5 合金计算热力学(CALPHAD)  21-23
  1.6 基于热力学计算技术对凝固过程的研究  23-25
  1.7 多元合金中的扩散  25-27
  1.8 考虑多元扩散后对凝固过程研究  27-28
  1.9 目前在研究多元合金凝固过程中存在的问题  28-29
  1.10 本论文的主要工作  29
  参考文献  29-38
第2章多元合金凝固过程中的溶质分凝  38-47
  2.1 引言  38-39
  2.2 合金体系的热力学模型  39-41
    2.2.1 纯物质和具有化学计量比相的的自由能  39-40
    2.2.2 置换式溶液模型  40-41
    2.2.3 亚晶格模型  41
  2.3 多元合金中的相平衡条件  41-42
  2.4 热力学模型在实际合金系中的应用  42-45
    2.4.1 Al-Cu二元合金  42-43
    2.4.2 Al-Si-Mg三元合金  43-45
  2.5 结论  45
  参考文献  45-47
第3章用Levenberg-Marquardt算法计算相平衡  47-53
  3.1 引言  47
  3.2 求解相平衡方程的目标函数  47-48
  3.3 Levenberg-Marquardt算法  48-49
  3.4 Levenberg-Marquardt算法的速度和收敛性  49-50
  3.5 计算结果  50-51
  3.6 结论  51
  参考文献  51-53
第4章 Al-Si-Mg三元合金的溶质分凝及其对凝固过程的影响  53-62
  4.1 引言  53
  4.2 Al-Si-Mg三元合金凝固过程中的溶质分凝  53-56
  4.3 溶质分凝因数对合金凝固过程的影响  56-58
  4.4 冷却速率对Al-Si-Mg合金凝固过程的影响  58-60
    4.4.1 试验方法  58
    4.4.2 试验结果  58-59
    4.4.3 冷却速率对Al-2.06wt％Si-1.58wt％Mg合金凝固路径的影响  59-60
  4.5 结论  60-61
  参考文献  61-62
第5章耦合热力学计算研究多元合金的凝固界面稳定性  62-72
  5.1 引言  62
  5.2 一维稳态温度场和溶质场  62-63
  5.3 多元合金的凝固界面稳定性判据  63-66
  5.4 计算结果  66-71
    5.4.1 Al-Zn二元合金  66-68
    5.4.2 Al-Si-Mg三元合金  68-71
  5.5 结论  71
  参考文献  71-72
第6章耦合热力学计算模拟多元合金强制枝晶的生长过程  72-80
  6.1 引言  72
  6.2 多元合金强制枝晶生长动力学  72-74
  6.3 模拟结果  74-77
  6.4 结论  77
  参考文献  77-80
第7章多元合金凝固过程中枝晶臂的粗化  80-87
  7.1 引言  80
  7.2 枝晶的粗化模型  80-83
  7.3 在Al-Cu-Mg合金中的应用  83-86
  7.4 结论  86
  参考文献  86-87
第8章多元扩散对合金枝晶生长的影响  87-94
  8.1 引言  87
  8.2 多元合金中的溶质扩散系数  87-88
  8.3 多元扩散对合金枝晶生长的影响  88-89
  8.4 在Cu-Sn-Zn三元合金中的应用  89-90
  8.5 计算结果  90-92
  8.6 结论  92
  参考文献  92-94
第9章多元合金快速凝固条件下的溶质分凝  94-101
  9.1 引言  94
  9.2 多元合金快速凝固的溶质分凝模型  94-97
  9.3 快速定向凝固过程中的溶质分布  97
  9.4 计算结果及讨论  97-99
  9.5 结论  99-100
  参考文献  100-101
结论  101-103
致谢  103-104
攻读博士期间发表的论文  104-106
西北工业大学学位论文知识产权声明书  106
西北工业大学学位论文原创性声明  106

多元多相合金的热力学描述及其在凝固过程中的应用

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