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基于CA方法的Al-Cu金属间化合物的微观组织数值模拟研究

吴腾飞  
【摘要】:液态金属的凝固过程及微观组织演变是现代材料科学和制造领域的重要研究方向之一。采用数值模拟方法不仅能够动态的显示晶粒的形核、生长和组织演化过程,还可以通过改变工艺参数有效的控制铸件的机械性能。所以微观组织的数值模拟对于实现工艺—组织—性能一体化具有重要的意义。本文根据元胞自动机法研究了Al-Cu金属间化合物铸锭凝固过程中微观组织的形成过程,所有的元胞在模拟组织形成过程中将分为固态元胞、液态元胞和生长元胞三种类型,按照元胞的温度和状态的不同分别进行形核、生长和捕获的计算。在前人研究的基础上,本文提出了更为合理的自由能模型。该模型利用吉布斯自由能生长原理重新定义了金属间化合物铸锭的微观组织生长和捕获过程,并且该模型考虑了生长元胞的状态和其邻居元胞的状态以及以邻居元胞为中心的邻居元胞状态,根据这三个条件来决定生长元胞长大的过程。通过与实验结果对比,验证了该模型的准确性。对于Al-Cu过共晶合金进行了实验分析,并仔细研究了过共晶合金中的Al_2Cu晶体的晶体生长形态。凝固条件下,过共晶Al-Cu合金中的Al_2Cu晶体沿温度梯度方向生长,生长形态为细长簇状结构,具有细长针状的生长尖端,其外围小晶体以晶体簇为中心向外拓展生长,并解释了其原因。已经生成的Al_2Cu晶体向下传递的结晶潜热,导致新生的Al_2Cu晶体分叉开来,并有围绕中心晶体生长的倾向,最终形成不规则的正方形截面。依据该模型,通过对铝铜过共晶合金铸锭的微观组织模拟的对比,发现:在元胞为100μm×100μm尺度下(介观尺度)能计算铸件的表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区,并且枝晶形貌较为清晰,与实验结果较为吻合。研究成果增进了对金属间化合物组织形态演变的认识,对于金属间化合物的发展具有很大参考意义。


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