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凝固过程枝晶生长与微观偏析的相场法模拟

作　者: 崔海霞
导　师: 张玉妥
学　校: 沈阳理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 相场法枝晶生长微观偏析等温凝固
分类号: TG111.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

相场法是凝固微观组织模拟的有效方法,不需要跟踪复杂固/液界面就可实现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。本文采用相场方法分别对Fe-0.5mol%C二元合金和Fe-0.5mol%C-0.1mol%Mn三元合金等温凝固枝晶生长的演化过程及溶质偏析进行了二维模拟。本文主要内容包括:1.模拟了Fe-0.5mol%C合金等温凝固过程单个枝晶的演化,获得了具有二次分枝的枝晶形貌,再现了枝晶的生长过程以及枝晶臂之间的竞争。2.预测了Fe-0.5mol%C合金等温凝固枝晶生长过程中的溶质分布和微观偏析。凝固过程中存在溶质富集和枝晶偏析,枝晶主干溶质浓度最低,枝晶臂之间的液相由于溶质富集浓度最高,枝晶尖端的溶质浓度较枝晶臂之间液相溶质浓度低。3.研究了相场模型中参数过冷度、界面厚度、各向异性、扰动对枝晶形貌的影响。过冷度对凝固进程和枝晶形貌影响较大,随着过冷度的增大,凝固的固相分数增加,枝晶生长的快且分枝发达。界面厚度对枝晶形貌及枝晶生长速度影响较为明显。晶体的各向异性影响到枝晶主干的形态。扰动直接影响二次晶臂的形成。4. Fe-0.5mol%C-0.1mol%Mn等温凝固模拟,第三组元的加入直接影响了枝晶形貌和溶质分布。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-22
  1.1 引言  12-13
  1.2 枝晶生长模拟研究进展  13-20
    1.2.1 蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟方法  13-14
    1.2.2 元胞自动机(Cellular Automata)模拟方法  14-16
    1.2.3 界面跟踪方法(Front-tracking)方法  16
    1.2.4 相场法(Phase-field Method)  16-20
  1.3 显微偏析研究进展  20-21
  1.4 本文主要研究工作  21-22
第2章相场模型  22-36
  2.1 相变的基本类型  22-27
    2.1.1 相变的分类  22-23
    2.1.2 朗道的唯象理论  23-24
    2.1.3 金兹堡一朗道(Ginzburg-Landau)相变理论  24
    2.1.4 相场模型的原理  24-25
    2.1.5 晶体的概述  25-27
  2.2 FE-C 二元合金相场模型的建立  27-31
    2.2.1 Fe-C 二元合金相场方程  27-28
    2.2.2 Fe-C 二元合金浓度场方程  28-29
    2.2.3 相场模型中各向异性的加入  29-30
    2.2.4 扰动的加入  30-31
  2.3 FE-C-MN 三元合金相场模型的建立  31-33
    2.3.1 Fe-C-Mn 三元合金相场方程  32-33
    2.3.2 Fe-C-Mn 三元合金的溶质扩散方程  33
  2.4 相场参数与定解条件  33-35
    2.4.1 相场参数计算  33-34
    2.4.2 定解条件  34-35
  2.5 本章小结  35-36
第3章相场控制方程的离散  36-42
  3.1 有限差分法简介  36-38
    3.1.1 有限差分法  36-37
    3.1.2 有限差分格式的建立  37-38
  3.2 空间步长和时间步长的设定  38-39
    3.2.1 空间步长及模拟区域  38
    3.2.2 时间步长的设定  38-39
  3.3 相场方程的离散  39-41
    3.3.1 空间离散  39-40
    3.3.2 时间离散  40-41
  3.4 本章小结  41-42
第4章程序的实现  42-48
  4.1 主程序  42-43
  4.2 程序中数据和图形的处理  43-47
    4.2.1 计算的优化  43-44
    4.2.2 物性参数选择  44-45
    4.2.3 数据的输出  45
    4.2.4 图形的显示  45-47
  4.3 本章小结  47-48
第5章枝晶生长与微观偏析的模拟与结果分析  48-82
  5.1 FE-C 二元合金枝晶生长与微观偏析模拟  48-53
    5.1.1 枝晶生长的有关参数  48-49
    5.1.2 单个枝晶的长大过程  49-53
  5.2 相场模型中参数对枝晶形貌的影响  53-67
    5.2.1 过冷度对Fe-0.5mol% C 合金枝晶形貌的影响  53-57
    5.2.2 各向异性强度对Fe-0.5mol% C 合金枝晶形貌的影响  57-59
    5.2.3 界面厚度对Fe-0.5mol%C 合金枝晶形貌的影响  59-62
    5.2.4 生长方向对Fe-0.5mol%C 合金枝晶形貌的影响  62-64
    5.2.5 扰动系数对Fe-0.5mol%C 合金枝晶形貌的影响  64-67
  5.3 多晶粒的模拟结果  67-70
  5.4 FE-C-MN 三元合金模拟结果  70-81
    5.4.1 Fe-0.5mol% C-0.1mol%Mn 模拟结果  70-72
    5.4.2 Fe-0.5mol% C 和Fe-0.5mol% C-0.1mol% Mn 的对比  72-76
    5.4.3 Fe-C-Mn 合金中Mn 的浓度对枝晶生长的影响  76-81
  5.5 本章小结  81-82
结论  82-83
参考文献  83-89
攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果  89-90
致谢  90

凝固过程枝晶生长与微观偏析的相场法模拟

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