純金屬凝固過程枝晶生長的相場法研究.pdf

1、采用計算機建模和數(shù)值模擬建立材料微觀組織與材料加工工藝、材料性能間的聯(lián)系，實現(xiàn)對材料性能的預(yù)測和改善具有重要的工程意義和理論價值。本文利用相場法微觀組織數(shù)值模擬技術(shù)，對過冷純金屬凝固過程枝晶的生長進行了模擬，研究了不同模擬條件下的枝晶生長方式，探討了過冷純金屬熔體枝晶的生長機制。 首先，本文在二維Wheeler模型的基礎(chǔ)上，考慮了熱擴散各向異性及固液相熱擴散差異、結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏的影響，建立了包含控制方程和熱傳輸方程的二維相場

2、模型。在數(shù)值求解過程中，對控制方程進行標(biāo)準(zhǔn)二階中心有限差分，考慮到最近鄰和次近鄰的網(wǎng)格因素，對V<'2>φ采用九點法離散，以消除網(wǎng)格各向異性的影響；采用了交替隱式差分方法計算無量綱溫度場。 其次，運用該相場模型，系統(tǒng)研究了過冷對純金屬熔體凝固過程中樹枝晶側(cè)向分枝生長行為的影響規(guī)律，探討了結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏對過冷純金屬熔體中樹枝晶生長的影響規(guī)律。結(jié)果表明，過冷熔體中存在的大量結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏是引發(fā)二次枝晶的因素之一，較小強度的起

3、伏不會影響枝晶尖端的穩(wěn)態(tài)生長行為。隨著結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏水平的增大，晶體中二次枝晶百分比增加，并在起伏強度達到一定值時，一次枝晶可能會轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｔ逍螒B(tài)生長。二次枝晶的百分比與起伏強度可以用對數(shù)關(guān)系描述：S=0.076ln(0.32ξ〈，R〉)+0.34。此外，在結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏強度一定的情況下，過冷度較小時，隨著過冷度的增加，枝晶形貌僅僅是廣泛地自我復(fù)制，同時開始出現(xiàn)二次枝晶的位置越來越靠近枝晶尖端，這和枝晶尖端的動力學(xué)過冷度大小有關(guān)。

4、當(dāng)開始出現(xiàn)二次枝晶的位置與枝晶尖端的距離介于1-2個枝晶尖端半徑時，枝晶形貌將會出現(xiàn)重大轉(zhuǎn)變，其主干出現(xiàn)縮頸，在對流作用下枝晶將在縮頸處熔斷，導(dǎo)致晶粒的自身細化。該過程可以解釋金屬與合金熔體在過冷條件下晶粒細化的現(xiàn)象。同時隨著過冷度的增大，晶體中二次枝晶越來越發(fā)達，其百分比與過冷度大致呈正比關(guān)系。 再次，研究了金屬的固一液熱擴散系數(shù)比(μ=K<,s>/K<,l>)對過冷熔體中樹枝晶側(cè)向分枝生長行為的影響規(guī)律，探索了過冷純金屬熔體