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基于Thermo-Calc多元多相合金微观偏析及凝固路径数值计算

作 者: 王桂权
导 师: 徐达鸣
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 材料加工工程
关键词: 多元多相合金 微观偏析 凝固路径 数值模型 Thermo-Calc耦合算法
分类号: TG111.4
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
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内容摘要


微观偏析是合金凝固过程中的常见现象,研究该现象对于认识合金的凝固行为、进行凝固组织与性能的预测具有重要意义。实际应用中的合金绝大多数为多元多相合金,建立描述多元多相合金的微观偏析模型,进而对多元多相体系的凝固行为和组织进行计算预测具有重要的理论和工程价值。相图所提供的热力学参数是微观偏析计算中的必需条件,但对于多元合金体系,往往没有可供参考的相图。相图计算(CALPHAD)方法的出现和成熟使之成为解决多元合金体系热力学参量的有效手段,而耦合CALPHAD也成为当今微观偏析计算中解决热力学参量最先进的方法。目前建立的大多数多元多相合金凝固微观模型,为了提高计算效率及简化模型,而将液相扩散系数假设为无穷大只考虑固相反扩散。本课题组也基于此提出了宏微观偏析的统一数学模型。本文将基于数值模拟方法,研究考虑任意固相及液相扩散条件下固、液相的成分变化。主要研究工作如下:对课题组原有的二元合金长尺度定向凝固条件下的数值模型加以修改,使之满足多元多相合金凝固路径及微观偏析的计算,建立了多元多相合金凝固路径及微观偏析数值模拟的Thermo-Calc耦合算法,在此基础上编制了FORTRAN计算程序,并对Al-3.66%Cu-6.46%Si、Al-26.9%Cu-2.07%Si以及Al-11.35%Cu-21.73%Si三种合金进行了计算并与统一模型进行对比。解读了国际上比较先进的可实现宏微观偏析耦合计算的考虑液相有限扩散的数值模型,尝试构建了该先进模型的多元多相合金凝固路径的Thermo-Calc耦合算法,并编制了FORTRAN计算程序,给出了初步的试算结果。基于Thermo-Calc软件及COST2数据库,解读了Al-Cu-Mg合金的富铝角的三元相图空间结构,获取了描述液相面以及在720K至755K温度区间的FCC、S-phase、Tau和AlCu_Theta固相面形状的大量的热力学数据。可以直观地了解该三元合金系富Al角的相关液相及固相等区域的相图空间界面结构,所提取的相图空间热力学数据可用于拟合成曲面函数并求解其空间交线函数,以大大提高基于Thermo-Calc的多元合金凝固偏析耦合数值计算的效率。在Al-Cu-Si和Al-Cu-Mg的富铝角各选取了一种合金成分进行凝固实验,根据凝固冷却曲线和凝固组织金相分析,确定了各实验条件下的凝固路径;测量了平均凝固速度和微观组织的尺度,基于这些实验参数,用所编制的程序计算了各实验条件下的凝固路径,与实验结果进行了对比分析。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-21
  1.1 引言  11-12
  1.2 计算机模拟技术在凝固科学中的意义  12
  1.3 CALPHAD 技术  12-13
  1.4 凝固路径  13-16
  1.5 Thermo-Calc 软件  16-18
    1.5.1 软件简介  16-17
    1.5.2 Thermo-Calc 的应用  17-18
  1.6 多元合金微观偏析计算的进展  18-19
  1.7 本文的研究目的  19-20
  1.8 本文的主要工作  20-21
第2章 多元多相合金凝固微观偏析数值计算模型  21-45
  2.1 引言  21
  2.2 L-T 微观偏析模型  21-32
    2.2.1 微观偏析数值模型的方程  22-25
      2.2.1.1 L-T 模型的数学模型  22-23
      2.2.1.2 不同凝固阶段的判断方法  23-25
    2.2.2 合金凝固传输方程组的数值计算方法  25-30
      2.2.2.1 解非线性方程组的隐性有限差分算法  25-26
      2.2.2.2 L-T 模型的网格重分的算法  26
      2.2.2.3 固液界面处成分值与S/L界面移动量的算法  26
      2.2.2.4 凝固路径计算的整体算法  26-30
    2.2.3 算例  30-32
  2.3 本文多元多相合金数值模型  32-44
    2.3.1 概述  32
    2.3.2 本文基本数值模型  32-33
    2.3.3 本文网格单元划分方法  33-36
    2.3.4 对网格剖分的修改  36-37
    2.3.5 网格重分算法  37
    2.3.6 单相凝固算法  37-38
    2.3.7 两相共晶凝固  38-42
    2.3.8 算例  42-44
  2.4 本章小结  44-45
第3章 Al-Cu-Mg三元相图凝固热力学数据解读  45-58
  3.1 引言  45-46
  3.2 Al-Cu-Mg 合金的基本信息  46-51
    3.2.1 Al-Cu-Mg 合金相图类型  46
    3.2.2 四相平衡点  46-47
    3.2.3 等温面  47-51
  3.3 Al-Cu-Mg 合金的相图信息  51-57
    3.3.1 Al-Cu-Mg 合金的液相面  51-52
    3.3.2 Al-Cu-Mg 合金的α-Al 固相面  52-53
    3.3.3 四个等温平衡反应面的空间位置  53-55
    3.3.4 Al-Cu-Mg 合金系富铝角相图边界的空间结构  55-57
  3.4 本章小结  57-58
第4章 计算结果分析及实验对比  58-69
  4.1 实验方案  58-60
    4.1.1 合金成分的选择  58-59
    4.1.2 铸型及测温装置  59
    4.1.3 熔配及浇注  59
    4.1.4 温度采集数据的处理  59-60
  4.2 实验结果及分析  60-63
    4.2.1 Al-Cu-Si 合金实验结果及分析  60-62
      4.2.1.1 Al-Cu-Si 合金凝固冷却曲线分析  60-61
      4.2.1.2 Al-Cu-Si 合金显微组织分析  61-62
    4.2.2 Al-Cu-Mg 合金实验结果及分析  62-63
      4.2.2.1 Al-Cu-Mg 合金凝固冷却曲线分析  62
      4.2.2.2 Al-Cu-Mg 合金显微组织分析  62-63
  4.3 计算结果分析及对比  63-67
    4.3.1 实验成分凝固路径的计算结果  63-64
    4.3.2 与统一模型计算结果对比  64-67
      4.3.2.1 统一解析模型简介  65
      4.3.2.2 两种模型计算结果对比  65-67
  4.4 本章小结  67-69
结论  69-70
参考文献  70-75
附录1 实验用铸型尺寸图  75-77
致谢  77

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属学(物理冶金) > 金属物理学 > 金属的液体结构和凝固理论
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