全域鑄錠宏微觀耦合的數(shù)值模擬研究.pdf

1、大型鑄件宏觀偏析的消除仍然是當(dāng)前鑄造工程的難點(diǎn)，要想真正解決此難題，必須把宏觀場(chǎng)與微觀組織在鑄件全域內(nèi)進(jìn)行真實(shí)耦合，選擇合適的微觀組織數(shù)值模型是解決該問題的關(guān)鍵，本研究即針對(duì)該問題展開研究。
　　首先，在前人關(guān)于CA（元胞自動(dòng)機(jī)）研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)其中的KGT模型提出了一種新的捕獲模型，根據(jù)枝晶尖端的生長(zhǎng)長(zhǎng)度來對(duì)鄰居元胞進(jìn)行選擇性捕獲,該模型能夠有效地消除元胞的各向異性,彌補(bǔ)Zigzag模型中在捕獲液態(tài)元胞時(shí)容易出現(xiàn)丟失現(xiàn)象的缺陷

2、。
　　其次，對(duì)CA方法的另一種生長(zhǎng)模型即溶質(zhì)擴(kuò)散控制模型也進(jìn)行了研究，并予以程序?qū)崿F(xiàn)。溶質(zhì)擴(kuò)散模型的基本原理是，在凝固過程中，界面元胞通過不斷地向鄰居液相元胞排出溶質(zhì)而完成進(jìn)一步生長(zhǎng)。本文的程序模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。
　　在上述兩種CA模型的基礎(chǔ)上，為了判定KGT模型和溶質(zhì)擴(kuò)散模型哪個(gè)更適合于宏觀偏析的計(jì)算，在同一溫度場(chǎng)下（先不考慮流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)），提出了三個(gè)判斷準(zhǔn)則：1）能夠模擬出CET轉(zhuǎn)化過程；2）能夠計(jì)算出二次枝

3、晶（便于預(yù)測(cè)A型偏析和V型偏析）；3）能夠較準(zhǔn)確地計(jì)算枝晶生長(zhǎng)過程中的溶質(zhì)分布。
　　根據(jù)上述三個(gè)準(zhǔn)則，通過對(duì)鋁銅合金鑄錠的微觀組織模擬的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)：1）在元胞為100μm×100μm尺度下（介觀尺度）兩種模型都能計(jì)算鑄件的CET轉(zhuǎn)化過程，且晶粒尺度相差不大，但由于網(wǎng)格尺度較大，兩種方法都不能算出二次枝晶。2）擴(kuò)散模型在元胞為10μm×10μm尺度下（微觀尺度）能夠算出二次枝晶及其生長(zhǎng)形貌，而KGT模型則不能。3）在兩種元胞尺度下

4、，擴(kuò)散模型計(jì)算出的晶粒溶質(zhì)分布輪廓清晰，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為符合；但KGT模型計(jì)算出的較為模糊，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差距較大。因此，CA方法中的KGT模型和溶質(zhì)擴(kuò)散模型，僅后者可作為宏觀偏析計(jì)算的微觀模型。
　　最后，對(duì)擴(kuò)散控制模型進(jìn)行了更深入的研究，計(jì)算了初始溫度、冷卻速率以及內(nèi)部平均形核過冷度對(duì)枝晶定向凝固生長(zhǎng)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，三者均可對(duì)枝晶微觀組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)行組織控制時(shí)應(yīng)該設(shè)置恰當(dāng)?shù)膮?shù)組合。數(shù)值模擬結(jié)果與解析理論分析結(jié)果較為吻合