多元合金凝固微觀組織的相場(chǎng)法模擬研究.pdf

1、鑄件的力學(xué)性能優(yōu)劣和使用壽命主要取決于鑄件在凝固過程中所形成的微觀組織，有效地控制鑄件成型過程中微觀組織的形成具有非常重要的科學(xué)與工程意義，但是由于成型過程需要控制大量的參數(shù)，全部用實(shí)驗(yàn)手段不太現(xiàn)實(shí)，因而微觀組織演化過程的數(shù)值模擬為鑄件成型控制和多元合金材料的研制提供了一個(gè)有效的新途徑。微觀組織的數(shù)值模擬可以有效地降低新合金材料的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，少量的實(shí)驗(yàn)既可達(dá)到合金的凝固組織預(yù)測(cè)和力學(xué)性能控制，又可獲得主要工藝參數(shù)與合金凝固組

2、織的定量關(guān)系，為成型過程的工藝控制和合金凝固組織的改善提供了可靠依據(jù)。
　　 相場(chǎng)法是一種計(jì)算技術(shù)，它能使研究者直接模擬微觀組織的形成。相場(chǎng)模型中包括一組描述溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和相場(chǎng)有序參數(shù)的方程，相場(chǎng)法借助相場(chǎng)與其它外部場(chǎng)的耦合，在金屬充型和凝固過程中，有效地將微觀與宏觀尺度相結(jié)合，能夠比較真實(shí)地模擬凝固過程。
　　 在參閱國(guó)內(nèi)外相場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上，完善二元合金凝固過程中枝晶生長(zhǎng)的二維相場(chǎng)模型，在模型中考慮溶質(zhì)擴(kuò)散與各向異性

3、對(duì)枝晶形貌的影響，考慮固-液界面存在的大量結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏對(duì)組織生長(zhǎng)的影響，并對(duì)微觀組織形成模擬中的若干現(xiàn)象進(jìn)行分析和討論。在單晶粒生長(zhǎng)的相場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上，引入方向系數(shù)，提出了二元及多元合金多晶粒生長(zhǎng)的相場(chǎng)模型。推導(dǎo)分析多相場(chǎng)共晶生長(zhǎng)的相場(chǎng)模型，實(shí)現(xiàn)合金共晶組織生長(zhǎng)過程的模擬。
　　 討論了相場(chǎng)方程的時(shí)域離散與空間離散，優(yōu)化了相場(chǎng)法數(shù)值模擬的初始條件、邊界條件、穩(wěn)定性條件及其數(shù)值求解方法?；诮换ナ酱笮凸こ虦y(cè)試和復(fù)雜數(shù)值計(jì)算結(jié)

4、果的可視化工具Tecplot，采用Visual C++自行編程將計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Tecplot標(biāo)準(zhǔn)輸入文件，實(shí)現(xiàn)了相場(chǎng)法微觀組織模擬的可視化軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可有效處理計(jì)算中相關(guān)的復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還可實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的逼真顯示及圖象和動(dòng)畫的處理，方便地分析模擬結(jié)果的特征、規(guī)律。
　　 使用提出的二元合金多晶粒生長(zhǎng)的相場(chǎng)模型，以Al-Cu合金為例，模擬了二元合金等溫凝固過程中多個(gè)晶粒的生長(zhǎng)過程。研究了二元合金凝固過程中多個(gè)晶粒枝晶的

5、競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)機(jī)制。觀察分析了多個(gè)枝晶與單個(gè)枝晶生長(zhǎng)形貌的差別、晶粒之間的溶質(zhì)分布狀況。結(jié)果表明：在枝晶生長(zhǎng)的初期，各個(gè)枝晶之間還沒有相互影響的時(shí)候，枝晶的生長(zhǎng)都和單個(gè)枝晶生長(zhǎng)的情況相同，符合經(jīng)典理論。在枝晶生長(zhǎng)的后期，由于枝晶間的相互影響，枝晶的生長(zhǎng)形貌不再符合Ivantsov理論。晶粒在生長(zhǎng)的過程中釋放出潛熱，潛熱使得該區(qū)域過冷度較低，導(dǎo)致主枝晶向過冷度大的區(qū)域生長(zhǎng)，最終造成主枝晶的抑制和彎曲。由于凝固過程的溶質(zhì)再分配，溶質(zhì)富集在枝晶生長(zhǎng)

6、的界面前沿。溶質(zhì)富集在這些區(qū)域，造成這個(gè)區(qū)域的熔點(diǎn)降低，從而導(dǎo)致實(shí)際過冷度的減小，使得這些區(qū)域凝固的比其他區(qū)域晚，最后形成晶界。
　　 使用提出的多元合金多晶粒生長(zhǎng)的相場(chǎng)模型，以Al-Cu-Mg合金為例，模擬了多元合金等溫凝固過程中多個(gè)晶粒的生長(zhǎng)過程。研究比較了Al-Cu合金和Al-Cu-Mg合金在相同凝固條件下微觀組織的變化。結(jié)果表明：多元合金多個(gè)晶粒共同生長(zhǎng)時(shí)與二元合金類似，有競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的現(xiàn)象，溶質(zhì)富集在枝晶生長(zhǎng)的界面前沿等區(qū)

7、域。多元合金的各種溶質(zhì)在溶劑(基體)中的擴(kuò)散系數(shù)越大，溶質(zhì)在晶粒中的分布越均勻。定性的展現(xiàn)了孕育劑細(xì)化晶粒機(jī)制對(duì)Al-Cu-Mg晶粒的形狀和尺寸的影響、合金之間的合金成分和微觀組織的關(guān)系(Al-Cu合金vs.Al-Cu-Mg合金)。合金成分的改變并沒有十分明顯的改變枝晶的形貌，初始晶核數(shù)量的大小對(duì)枝晶形貌有很大的影響。在Al-Cu-Mg合金中Mg改變了溶質(zhì)Cu晶粒中的分布，加重了晶粒中Cu的溶質(zhì)偏析。
　　 在多元合金多晶粒生長(zhǎng)

8、的相場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上耦合溫度場(chǎng)，提出了一個(gè)多元合金多晶粒非等溫生長(zhǎng)的相場(chǎng)模型，并對(duì)Al-Cu合金與Al-Cu-Mg合金的凝固進(jìn)行模擬，研究分析了其微觀組織形貌的變化，以及溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)的分布。結(jié)果表明：在忽略溫度梯度的情況下，凝固時(shí)潛熱的釋放使凝固界面前沿的液體溫度升高，由于枝晶生長(zhǎng)的速度要大于熱量傳遞的速度，使熱量在凝固界面前沿累積，因此造成凝固的前沿上溫度最高，后凝固的區(qū)域要比先凝固的區(qū)域溫度高。在模擬中加入了冷卻速度和外部溫度梯度，

9、外部溫度梯度隨著晶粒的生長(zhǎng)發(fā)生變化，這是由凝固潛熱和熱量傳遞造成的。初始溫度不同，對(duì)凝固的速度有很大的影響，過冷度越大，模擬區(qū)域的固相率越大，凝固速度越快。
　　 推導(dǎo)分析了多相場(chǎng)共晶生長(zhǎng)的模型，使用該模型模擬研究了CBr4-C2Cl6合金凝固過程中共晶組織的演化。結(jié)果表明：初始共晶層片和過冷度等參數(shù)選擇適當(dāng)時(shí)，共晶層片保持穩(wěn)定界面，平行向前生長(zhǎng)。在凝固前沿由于溶質(zhì)再分配和溶質(zhì)在液相中不能及時(shí)的擴(kuò)散均勻，導(dǎo)致與理論計(jì)算的濃度值相