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镁合金凝固微观组织演化的相场法模拟研究

作　者: 李翔光
导　师: 尧军平
学　校: 南昌航空大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 相场法镁合金枝晶生长多枝晶取向场微观组织定向凝固
分类号: TG111.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

微观组织是决定材料力学性能的关键因素，材料力学性能的优劣和使用寿命决定于材料凝固所形成的微观组织。因此，对凝固过程微观组织的形成进行有效地控制拥有非常重要的理论和现实意义。随着计算机科学的发展，对材料凝固过程中形成的微观组织进行数值模拟已成为材料研究的一种重要方法，对材料的发展和应用有着重要的意义。相场法做为一种最有潜力的凝固微观组织数值模拟方法，是目前国内外凝固领域研究的热点。本文在KKS相场模型的基础上，根据镁合金hcp结构特征，通过耦合温度场和流场，发展了一个适应六重对称性镁合金求解的单枝晶生长相场模型；进一步耦合一个基于元胞自动机方法提出的控制晶粒择优生长取向的取向场，建立了一个单相场控制随机取向多个晶粒枝晶生长的新相场模型；在此基础上进一步耦合一个采用温度冻结方法处理的温度场，发展了一个适合模拟不同择优取向枝晶列定向生长的相场模型。采用基于均匀网格的有限差分法离散控制方程，为避免时间步长的限制，温度场控制方程的离散采用交替显隐式法(ADI算法)。基于VC++6.0平台开发模拟程序，选用Tecplot360和Origin实现模拟结果的可视化。采用单枝晶生长相场模型对纯扩散和强迫对流下AZ91D合金单枝晶生长过程进行了模拟，分析了强迫对流下相场模型相关参数对枝晶生长的影响。模拟结果表明，纯扩散下，枝晶生长表现出明显的六重对称性，六个一次枝晶臂间相互成60°夹角，二次枝晶臂与对应一次枝晶臂成60°夹角，最终模拟获得雪花状枝晶形貌；强迫对流下，上游侧3个方向的枝晶尖端生长速度快于下游侧3个方向的枝晶尖端生长速度，最终获得不对称枝晶形貌。扰动强度越大，引发的侧向分枝越多，枝晶越发达；各向异性强度越大，上下游枝晶尖端稳态生长速率和溶质偏析比也都越大；对流速度越大，上游枝晶生长速率越大，枝晶尖端曲率半径越小，下游枝晶生长速率越小，枝晶尖端曲率半径越大；初始温度越低，上、下游枝晶尖端生长速度越快，枝晶曲率半径越小。采用多枝晶生长相场模型模拟了纯扩散和强迫对流下AZ91D合金多枝晶生长过程。结果表明，纯扩散时，各晶粒竞争形核与生长，相碰撞的枝晶臂尖端会变秃甚至弯曲，最终形成不对称枝晶形貌；强迫对流下，过冷熔体的冲刷使得逆流区的枝晶生长得到促进，而顺流区的枝晶生长受到抑制，最终形成不对称枝晶形貌。模拟枝晶形貌与实验结果十分吻合。采用枝晶列定向生长的相场模型模拟研究了AZ91D合金定向凝固过程中纯扩散和切向流动下不同择优取向枝晶列汇聚竞争生长淘汰行为。研究结果表明，不同择优取向的枝晶定向汇聚生长时，晶粒择优生长取向与温度梯度方向接近的枝晶会淘汰择优生长取向与温度梯度偏离较大的非择优枝晶。模拟结果与Walton-chalmers理论分析是一致的。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-23
  1.1 引言  11-12
  1.2 凝固微观组织模拟方法  12-16
    1.2.1 确定性模拟  13
    1.2.2 随机性方法  13-15
    1.2.3 直接模拟方法  15-16
  1.3 相场法模拟微观组织演化研究进展  16-22
    1.3.1 自由枝晶模拟研究进展  16-18
    1.3.2 定向凝固界面模拟研究进展  18-19
    1.3.3 随机取向多晶粒生长的研究进展  19
    1.3.4 相场法微观组织模拟国内研究现状  19-20
    1.3.5 相场法微观组织模拟国外研究现状  20-22
  1.4 本文主要研究内容  22-23
第2章相场模型  23-29
  2.1 单枝晶生长相场模型  23-24
    2.1.1 相场控制方程  23-24
    2.1.2 流场控制方程  24
    2.1.3 耦合流场的溶质场控制方程  24
    2.1.4 耦合流场的温度场控制方程  24
  2.2 多枝晶生长相场模型  24-27
  2.3 不同择优取向枝晶列定向生长相场模型  27
  2.4 模型中相关参数的确定  27-28
  2.5 扰动  28
  2.6 本章小结  28-29
第3章相场模型的数值计算及后处理  29-41
  3.1 数值计算方法  29
  3.2 相场模型的离散  29-35
    3.2.1 相场控制方程离散  29-31
    3.2.2 耦合流场的溶质场控制方程离散  31-32
    3.2.3 耦合流场的温度场控制方程离散  32-33
    3.2.4 动量守恒方程离散  33-34
    3.2.5 方程求解的稳定性条件  34-35
    3.2.6 初始条件和边界条件  35
  3.3 材料物性参数  35-36
  3.4 主程序的开发  36-38
  3.5 枝晶生长的重要参数计算  38-39
    3.5.1 枝晶尖端曲率半径与生长速度  38
    3.5.2 溶质偏析比  38
    3.5.3 固相率  38
    3.5.4 溶质有效分配系数  38-39
  3.6 模拟结果可视化处理  39-40
  3.7 本章小结  40-41
第4章镁合金单枝晶生长相场法研究  41-68
  4.1 有无强迫对流下镁合金的枝晶生长演变过程  41-51
    4.1.1 纯扩散下镁合金单枝晶生长  41-46
    4.1.2 强迫对流下镁合金单枝晶生长  46-51
  4.2 强迫对流作用下相关参数对枝晶生长的影响  51-66
    4.2.1 扰动强度对枝晶生长行为的影响  51-52
    4.2.2 各向异性强度对枝晶生长行为的影响  52-55
    4.2.3 流速对枝晶生长行为的影响  55-59
    4.2.4 过冷度对枝晶生长行为的影响  59-66
  4.3 本章小结  66-68
第5章镁合金多枝晶生长相场法研究  68-78
  5.1 模型验证  68-70
  5.2 同时形核多晶粒生长  70-71
  5.3 连续形核多晶粒生长  71-73
  5.4 强迫对流下多晶粒枝晶生长  73-76
  5.5 本章小结  76-78
第6章镁合金定向凝固相场法研究  78-84
  6.1 纯扩散下的汇聚竞争生长与淘汰行为  78-80
  6.2 切向流动下的汇聚竞争生长与淘汰行为  80-82
  6.3 模拟结果与实验结果的对比  82-83
  6.4 本章小结  83-84
第7章结论  84-86
  7.1 本文结论  84-85
  7.2 本文创新之处  85-86
参考文献  86-91
攻读硕士期间发表的论文  91-92
致谢  92-93

镁合金凝固微观组织演化的相场法模拟研究

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