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《兰州理工大学》 2013年
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金属过冷熔体凝固过程微观组织及凝固特性的相场法表征

肖荣振  
【摘要】:大部分材料,尤其是金属材料,在生产制备过程中均要经历由液态到固态的转变,即凝固过程。凝固学的中心任务是探索凝固组织的形成规律和控制方法,固/液界面形态研究是凝固理论研究的重要组成部分它决定了最终的凝固组织和材料性能。由于影响凝固组织形成的因素较多,近年来发展的数值模拟方法为再现金属凝固过程的组织演化,揭示微观组织的形成规律提供的有效手段。作为模拟复杂微观组织方法的一种,相场法已经广为研究者们所接受。 本文从Ginzburg-Landau理论出发,基于熵函数建立了二元合金相场模型,采用均匀网格显示差分法对相场和溶质场控制方程求解。通过研究方程数值解收敛的稳定性条件,确定了空间步长与时间步长的选择与物性参数之间的限制性关系;采用交替方向隐式方法求解温度场控制方程,避免了时间步长的限制。利用VC++操作平台的兼容性,采用C语言实现离散方程的程序编制,利用Tecplot软件实现模拟结果的计算机图像生成及其动态显示;并对凝固过程中枝晶/胞晶尖端生长速度、曲率半径、固相率等进行了计算。研究表明: Ni-Cu二元合金等温凝固过程中,各向异性系数γ强烈影响界面形态与枝晶尖端稳态行为,对于100枝晶生长过程,当γ1/15时,枝晶生长界面形态呈现不连续的小晶面生长,原始的相场法模型变得不可用,需要对其进行修正计算;对于非典型的110枝晶生长,当各向异性系数γ=0.02时,110枝晶生长呈现完全对称的“雪花状”晶结构;当γ0.02时,则[110]方向枝晶主支生长较[101]与[011]方向更为发达,枝晶生长对称形貌被破坏,形成“羽毛状’甚至“针状”结构,且沿[110]方向溶质截留效应加剧。而对于1]0枝晶生长,界面动力学β的影响也较为显著,随着β的增加,侧向分支出现大量的合并现象,形成“扇形状”及“盘状”晶,但是晶体生长的对称性并未遭到破坏,溶质截留效应表现明显,当β=0.60,溶质截留水平近似于完全截留。 通过对Ni-Cu二元合金等温模拟与非等温模拟的对比发现:结晶潜热的释放使固相温度升高,而且在固相内二次枝晶生长较为集中的区域温度最高,发生明显的再辉现象。潜热的释放使液相中的过冷度降低,同一凝固时间非等温凝固时的固相率相对较小,并随着时间变化固相率的差距也在增大,枝晶没有等温凝固时的发达。此外,较高的温度利于液相溶质扩散,导致非等温条件下的固/液界面溶质浓度较低,溶质截留效应增强。当存在热扰动时,在较小的界面厚度条件下,热扰动极易被放大,使得枝晶尖端生长稳定性下降,枝晶生长受到抑制;扩散系数DT对枝晶生长的影响主要是热扩散层完成的,当DT增大时,凝固产生的热量能较快的扩散出去,凝固区域的温度上升更加缓慢;溶质梯度系数δ对枝晶形貌几乎没有影响,但随着溶质梯度的增大,固相区溶质分布趋于一致,溶质偏析程度下降。 在二元合金定向凝固过程中,随着界面推进速度的提高,界面形态呈现平-胞-平转变,界面前沿固、液相成分逐渐逼近,从而表现出强的溶质截留效应。在低的凝固速度下,各向异性系数γ对界面形态及尖端生长速度影响明显。当各向异性较弱时,凝固过程晶体生长形态为海藻状组织形貌;随着γ增大,晶体生长形态呈现胞状枝晶及胞晶生长,尖端生长速度增加,稳定性下降。但是,定向凝固的平界面生长过程几乎不受到各向异性的影响。除了界面推进速度,物性参数对溶质截留效应也存在明显影响,随着梯度系数δ及界面动力学系数β的增加,固相溶质浓度显著增加,溶质截留效应增强。 对流对枝晶生长影响明显。引入对流后,枝晶呈现不对称生长,逆流方向枝晶臂生长最发达,顺流枝晶臂生长速度最缓慢,其枝晶臂最短,水平方向枝晶臂生长速度介于前两者之间。通过研究多个晶粒在对流条件下的凝固过程发现,各晶粒之间在相互竞争生长的同时,整体沿着逆流方向生长。通过研究对流作用下各向异性γ对枝晶生长的影响发现,在较小各向异性条件下,各方向枝晶主支生长都比较粗大,随着各向异性增大,各向主枝都逐渐变细,产生侧向分支,发生明显的颈缩效应。当γ增大到0.07时,引发枝晶变异,发生小晶面枝晶生长,界面上出现棱角;顺流枝晶生长产生尖端分裂,枝晶根部形成断裂趋势。对二元合金凝固过程,对流影响也较为明显,随着对流的增强,逆流枝晶生长速度呈现近似线性增加,溶质截留效应明显;而水平尖端生长速度几乎不变。而顺流枝晶尖端生长在弱的对流作用下,随着流速的增加,其现表现为下降趋势;但是对流的进一步增强,则表现为上升趋势,但是顺流枝晶尖端生长速度始终小于逆流方向及水平方向。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TG111.4

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