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二元合金非等温凝固枝晶生长的相场法模拟

作　者: 杨世银
导　师: 王智平
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 相场法数值模拟非等温凝固潜热枝晶生长
分类号: TG111.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

相场法不需要跟踪复杂固/液界面,就可模拟金属凝固过程中枝晶生长的复杂形貌,最终获得微观组织形成规律,从而达到预测和控制凝固微观组织与性能的目的,并可有效地减少在材料优化和工艺设计等方面所必须进行的大量实验,现已成为凝固组织模拟的国际前沿研究领域之一,对金属材料凝固模拟的发展和应用有着十分重要的意义。等温相场模型简化了相场控制方程,忽略了铸件凝固时潜热的释放,本文在根据已有的相场等温模型的基础之上,考虑了铸件凝固中潜热的释放,推导建立了二元合金非等温凝固枝晶生长的相场控制模型,并有效的将相场与温度场、浓度场耦合,比较真实的对凝固过程进行模拟,再现了凝固过程,并利用相关软件及有效方法对模拟结果进行了相关的分析与讨论。同时,在程序的实现中,分别对相场方程,溶质场方程采用显式差分和对温度场方程采用显隐式差分(ADI)格式进行离散,采用C语言完成相关程序的编制,成功克服了热扩散系数和溶质扩散率数量级的差异所造成计算量大的困难。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,使固相温度比液相中高,而且在固相内二次枝晶生长较为集中的区域温度最高,发生明显的重熔现象。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,初生枝晶长度明显比等温凝固时的短。非等温凝固考虑了凝固时潜热的释放,枝晶尖端温度升高,较高的温度利于溶质的扩散,所以非等温条件下的固/液界面溶质浓度较低,凝固固相溶质浓度较高,溶质扩散层更厚。热扩散系数很大程度上决定了热扩散层的大小,热扩散系数越大,热扩散越快,释放的潜热越容易扩散出去,热扩散层越厚,凝固区域温度较低。

全文目录

目录  5-7
摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章绪论  10-21
  1.1 铸造凝固过程数值模拟的发展  11
  1.2 微观组织模拟方法  11-14
    1.2.1 随机性方法(Stochastic Method)  12
    1.2.2 确定性方法(Deterministic Method)  12-14
  1.3 相场法数值模拟  14-20
    1.3.1 相场法的概念  14
    1.3.2 相场法研究进展  14-16
    1.3.3 相场法模拟国内研究现状  16-18
    1.3.4 非等温凝固的相场法模拟研究进展  18-19
    1.3.5 相场法模拟结果的验证  19-20
  1.4 本文的主要研究工作  20
  1.5 本章小结  20-21
第2章相场模型  21-30
  2.1 相场模型理论  21-23
    2.1.1 引言  21
    2.1.2 朗道理论的基本原理  21-23
    2.1.3 金兹堡—朗道理论  23
  2.2 二维相场模型  23-29
    2.2.1 基本原理  23-25
    2.2.2 二元合金非等温相场模型的推导  25-28
    2.2.3 合金相场模型参数  28-29
    2.2.4 材料物性参数  29
  2.3 本章小结  29-30
第3章模型方程的离散及程序实现  30-40
  3.1 控制方程的离散  30-33
    3.1.1 控制方程的时间离散  30-31
    3.1.2 控制方程的空间离散方法  31-33
    3.1.3 方程求解的稳定性条件  33
  3.2 模拟程序的编制  33-34
  3.3 凝固特征值的获得  34-37
    3.3.1 枝晶尖端生长速度  34-35
    3.3.2 溶质分布曲线  35-36
    3.3.3 固相率  36-37
    3.3.4 温度变化曲线  37
  3.4 模拟结果的可视化  37-39
    3.4.1 基于Tecplot的图像显示  37-38
    3.4.2 基于Origin的数据处理  38-39
  3.5 本章小结  39-40
第4章 Ni-Cu二元合金枝晶生长的相场法模拟  40-61
  4.1 扰动、界面厚度对非等温凝固模拟结果的影响  40-46
    4.1.1 不加扰动时界面厚度对非等温凝固的影响  41-44
    4.1.2 加扰动时界面厚度对非等温凝固的影响  44-46
  4.2 合金生长的等温和非等温模拟  46-49
    4.2.1 等温模拟与非等温模拟枝晶形貌对比  46-47
    4.2.2 非等温凝固的温度场  47-48
    4.2.3 等温模拟与非等温模拟溶质场形貌对比  48-49
  4.3 各向异性影响非等温凝固过程的相场法模拟  49-53
    4.3.1 各向异性对非等温模拟枝晶形貌的影响  50-51
    4.3.2 各向异性对温度场的影响  51-53
    4.3.3 各向异性对非等温模拟溶质分布的影响  53
  4.4 溶质梯度影响非等温凝固过程的相场法模拟  53-59
    4.4.1 溶质梯度对非等温模拟枝晶形貌的影响  54-56
    4.4.2 溶质梯度对温度场的影响  56-57
    4.4.3 溶质梯度对非等温模拟溶质分布的影响  57-59
  4.5 热扩散系数对非等温凝固的影响  59-60
  4.6 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-66
致谢  66-67
附录攻读学位期间所发表的学术论文目录  67

二元合金非等温凝固枝晶生长的相场法模拟

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