鑄造合金的微觀組織模擬——幾種方法關鍵技術的研究.pdf

1、微觀組織數(shù)值模擬的方法主要有：確定性方法、隨機方法及相場法。其中：確定性方法主要依據(jù)溫度場的分布情況從宏觀角度來進行固液劃分。隨機方法包括Monte_Carlo法和Cellular Automaton法，基于概率論思想，能較合理地反映出晶體生長過程中的隨機性。相場法基于“體系總能量總是趨于最小值，熵泛函的變分為零”的思路，在描述非平衡狀態(tài)中復雜相界面演變時，不需要跟蹤復雜固液界面，就可實現(xiàn)模擬金屬凝固過程中枝晶生長的復雜形貌。微觀組織數(shù)

2、值模擬對金屬材料的發(fā)展和應用有著重要意義，也是計算機應用于材料科學領域的主要發(fā)展方向之一。 本文重點研究了Monte_Carlo凝固組織模擬方法模型的物理本質、數(shù)值計算方法以及在凝固微觀組織模擬中的應用。針對各向同性等軸晶生長，利用Johnson-Mehl方程，求解等軸晶生長Monte_Carlo時間步長。本文還研究了各向異性等軸晶生長的Monte_Carlo時間步長的本質及其數(shù)值計算方法；首次導出了Monte_Carlo時間步

3、長與生長概率Pg、網(wǎng)格尺寸Δx、生長速度v的關系；并利用求解出的Monte_Carlo時間步長, 模擬了Al-4.5﹪Cu合金凝固的微觀組織。準確求解Monte_Carlo時間步長，將金屬凝固的宏觀模型和微觀模型結合起來，可以反映出液體金屬中的實際溫度、濃度動態(tài)分布情況，從而能夠很好地模擬金屬的凝固組織形成過程。并采用Monte_Carlo法對鑄件的凝固過程進行了數(shù)值模擬，解決了模型數(shù)值求解過程中若干關鍵問題，深入探討了合金凝固過程的枝

4、晶生長機制，為最終實現(xiàn)鑄件機械性能的預測奠定了良好的基礎。 本文研究并改進了二維二元合金等溫相場模型。該模型基于每個單元中溶質的擴散及質量守恒原則，進而求解合金凝固過程中溶質的擴散方程，并對理想化Ni-Cu過飽和合金液等溫枝晶生長進行了計算。 本文研究并針對Cellular Automaton凝固組織模擬方法模型的物理本質、數(shù)值計算方法以及在凝固微觀組織模擬中的應用進行了探索。并利用Cellular Automaton凝

5、固組織模擬方法，求解了Al-4.5﹪Cu等軸晶枝晶生長。差分法計算具有網(wǎng)格依賴性，針對不同生長方向晶粒的處理，在多晶粒計算時，需要根據(jù)各晶粒的具體生長角強化主軸方向生長。本文也利用Cellular Automaton凝固組織模擬方法，求解了Al-4.5﹪Cu等軸晶多個枝晶同時生長過程。 論文同時研究了空間網(wǎng)格尺寸的大小、各向異性強度和隨機的擾動等對模擬結果的影響，確定了這些關鍵參數(shù)的取值。 采用基于均勻網(wǎng)格的有限差分離散

6、控制方程，為了節(jié)省時間，在網(wǎng)格剖分時還采用了雙重網(wǎng)格法。數(shù)值計算時，為了避免時間步長的限制，提高計算效率，溫度控制方程則采用交替方向隱式算法，大大減少了計算量，提高了計算效率。 為了直觀地顯示模擬結果，研究了凝固模擬的可視化技術，給出了枝晶生長過程中一些重要參數(shù)的計算方法。基于MFC開發(fā)了微觀組織模擬結果的可視化軟件系統(tǒng)，既可實現(xiàn)以逼真的圖像顯示模擬結果，又可以方便地實現(xiàn)與各種模型數(shù)值計算程序的集成，動態(tài)顯示模擬結果。