相場法模擬二元合金枝晶生長.pdf

1、金屬凝固過程中的枝晶形貌對所制備材料的宏觀特性有著至關重要的影響，因此，金屬凝固過程的控制方法一直是材料科學領域研究的重要內(nèi)容。在金屬的凝固過程中存在復雜的熱量、質(zhì)量的傳輸以及界面形態(tài)和界面能的相互作用，所以欲對凝固過程實現(xiàn)控制，需要同時控制較多的參數(shù)和復雜的邊界條件。這使得采用實驗手段來控制金屬凝固過程變得較為困難。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，微觀組織計算機模擬已成為研究金屬凝固過程的最重要手段之一。上世紀八十年代以來，相場法以其簡單明

2、了的表征方法和對多種組織變化的適應性逐步成為材料科學領域研究微觀組織生長的主要手段。相場法是以金茲堡-朗道理論為基礎，引入相場序參量?，用?=1表示固相，?=0表示液相，中間值則表示界面。通過建立與溫度場和溶質(zhì)場相互耦合的微分方程組，有效地將微觀模擬與實際宏觀過程結(jié)合起來，從而更加真實地對金屬材料的凝固過程進行計算機模擬。因此，本文采用相場法作為基本方法來研究二元合金的枝晶生長過程。
　　本文首先對相場法的發(fā)展過程、相變理論及相場

3、模擬方法做了簡單的介紹，以熵增原理及熱力學定律為基礎，建立起了二元合金在凝固過程中的熱力學一致性的相場模型，給出了引入各向異性后的相場、溫度場以及溶質(zhì)場相耦合的控制方程組。利用建立好的相場模型對Zn-Al二元合金的枝晶生長過程進行了模擬。采用控制變量法研究了各向異性強度系數(shù)、界面動力學系數(shù)、界面能以及溫度梯度對枝晶生長過程中的形貌和生長速度的影響。通過分析模擬的結(jié)果，得出了下列結(jié)論：
　　1)隨著各向異性強度系數(shù)的增大，枝晶生長速