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轻量化汽车用Mg-Gd-Zn系合金微观组织定量调控的相场法研究

【摘要】:随着汽车轻量化进程的推进,镁合金作为一种拥有杰出减振性能、低惯性能、良好的电磁屏蔽性能和绿色环保的轻质合金,得到了众多汽车厂商的青睐。Mg合金的力学性能与其凝固过程中形成的微观组织密不可分,因此定量调控Mg合金微观组织的演化规律对控制和优化Mg合金的力学性能意义深远。本文以Mg-Gd-Zn系合金为例,建立了一个模拟多元稀溶液合金的多晶定量相场模型,分析了空间步长、时间步长、各向异性、噪声强度和耦合系数等相场参数对模拟结果的影响。在最优相场参数区间内,揭示了Lewis系数、过冷度、冷速、凝固速度、温度梯度以及形核过冷等温度因素下枝晶生长规律。同时,结合同步辐射表征技术,对其枝晶生长行为进行了实时观测,并将实验结果与模拟结果进行了对比和验证。本文的主要研究工作如下:(1)建立耦合温度场的多元多晶相场模型,对Mg-Gd-Zn系合金的多枝晶非等温凝固过程进行了研究。揭示了Lewis系数对镁合金枝晶生长速度、尖端半径、浓度分布和温度分布的影响。发现Lewis数越大,凝固潜热释放速度越快,枝晶生长速度越快,尖端半径越小,液相和固相的溶质浓度越大,温度场分布更加均匀;对不同初始过冷度下枝晶生长进行了研究,结果表明:随着过冷度的增大,枝晶生长驱动力增强,使得枝晶生长速度加快,固相体积分数增大,液相和固相的溶质浓度升高,进而导致溶质偏析比增大;分析了不同取向枝晶的生长规律,发现随着枝晶的生长,枝晶间相互作用能增大,枝晶生长速率减小,尖端温度和浓度升高。(2)基于相场法对非等温凝固过程中的枝晶生长动力学进行计算,并将结果分别与JMAK理论和唯象理论进行了对比,发现JMAK理论可以准确描述单个枝晶的生长动力学,但对于多枝晶生长动力学的预测会产生较大偏差,主要是由于JMAK理论忽略了不同取向枝晶间的碰撞效应,而唯象理论考虑了枝晶间的相互作用,其与模拟结果相一致。(3)利用相场法定量预测了晶型转变现象,发现温度梯度越大,二次枝晶臂间距越大,尖端半径越小;二次臂间距和尖端半径随凝固速度的增大而减小。揭示了不同晶区的枝晶生长规律,在等轴晶区,枝晶的生长速度和固相体积分数都随冷速的增大而增大;在晶型转变区域内,当凝固速度一定时,温度梯度越小,越有利于晶型转变现象的发生,而当温度梯度固定时,随着凝固速度的增大,晶型转变发生的概率将大大提升;在柱状晶区,增大温度梯度不仅有利于枝晶臂间距的缩小,还可以提高柱状晶的生长速度。随着临界形核过冷度的增大,抑制了枝晶的晶型转变,促进了柱状晶生长。通过同步辐射表征技术探究冷速(0.025~0.25K/s)变化对枝晶形貌的影响,并与模拟结果进行了对比验证。实验和模拟结果表明:冷速越大,枝晶生长速度越快,二次枝晶臂间距、尖端半径越小,晶粒数目越多,晶粒尺寸越小,且晶型转变现象越明显。(4)研究冷速、温度梯度、溶质浓度和择优取向对柱状晶生长的影响。发现随着冷速、温度梯度和浓度的增大,柱状晶生长速度加快,枝晶间距明显变窄;增大择优取向角,柱状晶的生长速度先减小后增大,当θ大于10°后,枝晶的生长速度依次递减。对定向凝固过程中不同竞争生长模式下的枝晶生长进行了定量研究。在汇聚型竞争生长过程中,当θ小于10°时,非择优枝晶会阻塞择优枝晶的生长,发生反常淘汰现象,而在发散型生长中,当θ小于10°时,非择优枝晶对择优枝晶的抑制作用减弱,并未出现反常淘汰现象。最后,利用同步辐射表征实验,研究了冷速、溶质浓度等因素对枝晶生长的影响,并获得了与模拟结果相吻合的实验结果。

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