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金属凝固过程微观组织形成的相场法模拟研究

【摘要】:相场法是凝固微观组织模拟的有效方法,本文利用相场法微观组织数值模拟技术,基于自由能泛函相继推导了纯金属相场模型、二元单相合金的等温凝固相场模型和非等温凝固相场模型。相场模型中考虑了界面的各向异性,并引入了诱发侧向分支的扰动项。使用有限差分均匀网格剖分技术将推导出的相场模型进行离散。采用显式差分算法(Euler算法)对相场模型中的相场控制方程和溶质场控制方程进行离散。为了避免时间步长的限制,提高计算效率,采用交替方向隐式差分算法(ADI算法)对温度场控制方程进行离散。 采用Visual Fortran 6.0为编程语言在Windows XP下编制了二元单相合金枝晶生长的模拟计算程序,对丁二腈—5at%水合金的凝固微观组织的形成过程进行了数值模拟,并利用Array Visualizer软件实现了模拟结果的可视化。定量研究了各向异性系数γ、热扰动强度α和空间剖分步长Δx对枝晶生长行为的影响。结果表明,各向异性系数γ为0或者取值较小时,等轴枝晶形貌就不会产生。各向异性系数γ取值过大则会引发枝晶变异。当各向异性系数γ的取值在0.02~0.05之间时,模拟结果与实际情况比较吻合;对不同热扰动强度α下的枝晶演变过程进行模拟,结果表明1%的热扰动强度能更好的促进枝晶侧向分支的生长;空间步长Δx对于模拟结果的影响较为显著,当空间剖分步长Δx的取值在0.2W~0.8W之间时,模拟结果与实验结果比较接近。 在合理选择以上关键参数的基础上,分别对等温凝固条件下和非等温凝固条件下的丁二腈—5at%水合金的凝固过程进行了数值模拟,直观再现了枝晶生长过程中侧向分支的竞争生长、熟化过程和溶质偏析。着重研究了在非等温凝固条件下,过冷度Δθ以及反溶质截流项(?)_(at)对过冷合金熔体凝固过程的影响。结果表明,低过冷度下,等轴晶周围厚的热扩散层抑制了其侧向分支的生长,呈现无侧向分支的形貌,而在高过冷度下薄的热扩散层有利于侧向分支的生长,等轴晶呈现束状侧向分支的形貌;加入反溶质截留项(?)_(at)后,就相当于人为的增大了实际界面厚

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