二元合金定向凝固晶粒生长的三维相场模拟研究

发布时间：2017-10-21 12:00

  本文关键词：二元合金定向凝固晶粒生长的三维相场模拟研究

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【摘要】：定向凝固理论在凝固科学中占有核心及前沿的重要地位,奠定了现代凝固理论的基础,其伴随而生的定向凝固技术已成为材料制备与加工领域的重要学科方向和非常活跃的技术领域。在现有的技术条件下使用实验方法研究定向凝固过程中界面形态的变化规律还存在困难,而数值模拟方法在处理微观组织方面具有其独特的优势。特别是相场法,不需要追踪复杂界面,是国内外研究微观组织的热点方法。本文基于KKS模型,采用枝晶固-液界面迁移方向法向量为自变量表述的相场控制函数和枝晶生长方向与最优生长方向之间的夹角为自变量表述的界面自由能各向异性控制函数,耦合温度场、溶质场,发展了二元合金定向凝固的三维相场模型。以Al-Cu合金为例,利用新建立的相场模型对定向凝固过程进行数值模拟,再现了凝固过程中固-液界面形态从平界面到胞晶界面生成的演化过程,研究了固-液界面前沿的变化规律和胞晶粗化机制,分析了不同的过冷度对界面演化的影响,讨论了不同取向晶粒的竞争生长。模拟结果表明:在定向凝固过程中,胞晶会逐渐粗化,发生熔化和合并现象,但胞晶并不会完全发生熔化或者合并现象,仅发生局部熔化和合并,胞晶的粗化是熔化和合并共同作用的结果;在定向凝固过程中,过冷度越小,固-液界面形态易向平界面发展;不同取向晶粒的生长过程中存在两种不同的竞争机制,第一种多发生在二次枝晶不发达的时候,定向倾斜晶粒受周围溶质、温度的影响,倾斜角度变小,向垂直方向偏转。第二种多发生在二次枝晶发达的时候,定向倾斜枝晶受到周围晶粒二次枝晶的阻挡逐渐被淘汰。考虑到计算量的限制,三维相场模型只能进行小区域的凝固组织演化模拟,为了扩大模拟的计算区域,提出了一种新方法,分区域顺序计算技术,就是将计算区域分割成多个小区域,然后按顺序依次计算。为了对这种技术进行验证,将分区域顺序计算与普通数值计算进行对比分析。结果表明:分区域顺序计算技术可以减少单次计算的存贮量,而且区域与区域间凝固特征的传递误差对晶粒的生长影响不大,这种技术具有一定的准确性和可靠性;采用这种技术可突破计算机本身节点的极限计算量,实现更大区域的相场法数值模拟。
【关键词】：定向凝固 二元合金 三维相场模拟 胞晶粗化 分区域顺序计算技术
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG111.4
【目录】：

• 摘要8-9
• ABSTRACT9-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题意义11-12
• 1.2 微观组织的模拟方法12-16
• 1.2.1 决定论法12-13
• 1.2.2 随机论方法13-14
• 1.2.3 相场法14-16
• 1.3 相场模型发展概述16-18
• 1.3.1 纯物质相场模型16
• 1.3.2 二元单相合金凝固相场模型16-17
• 1.3.3 二元合金的多相场模型17
• 1.3.4 固态相变相场模型17-18
• 1.4 定向凝固相场法模拟研究现状18-20
• 1.4.1 国外研究现状18-19
• 1.4.2 国内研究现状19-20
• 1.5 本文研究内容20-21
• 第2章 液态金属结晶的基础理论21-28
• 2.1 液态金属结晶的驱动力21-22
• 2.2 液态金属的形核理论22-23
• 2.3 固-液界面结构23
• 2.4 晶体的生长方式23-24
• 2.5 固-液界面前沿的成分变化24-26
• 2.5.1 固-液界面前沿的温度分布24-25
• 2.5.2 结晶过程中溶质分布25-26
• 2.5.3 固-液界面前沿熔体中的过冷状态26
• 2.6 固-液界面的稳定性26-27
• 2.7 本章小结27-28
• 第3章 定向凝固三维相场模型与数值计算方法28-44
• 3.1 相场模型的基础理论28-29
• 3.1.1 朗道理论28
• 3.1.2 金兹堡-朗道理论28-29
• 3.2 界面模型29-30
• 3.3 相场模型的建立30-37
• 3.3.1 相场控制方程30-31
• 3.3.2 二元合金相场模型31-35
• 3.3.3 界面能各向异性函数方程35-37
• 3.4 相场模型的可行性验证37-38
• 3.5 相场模型的数值求解38-41
• 3.5.1 数值求解的方法38-39
• 3.5.2 方程的离散39-41
• 3.6 程序实现及可视化处理41-43
• 3.6.1 模拟结果可视化41-42
• 3.6.2 模拟程序的编制42-43
• 3.7 本章小结43-44
• 第4章 二元合金定向凝固晶粒生长的相场模拟44-52
• 4.1 数值计算44-45
• 4.1.1 合金材料的物性参数44
• 4.1.2 初始条件和边界条件44-45
• 4.2 模拟结果分析45-49
• 4.2.1 固-液界面的形态演化45-46
• 4.2.2 胞晶的粗化过程46-47
• 4.2.3 过冷度对界面形态的影响47-49
• 4.3 不同取向晶粒的竞争生长49-51
• 4.3.1 不同取向晶粒生长的模拟结果49-50
• 4.3.2 不同角度大小晶粒生长的模拟结果50-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第5章 扩大计算区域的一种新方法52-57
• 5.1 数值计算52-53
• 5.1.1 网格划分与计算模型52-53
• 5.1.2 数值计算53
• 5.2 数值计算结果与讨论53-56
• 5.2.1 模拟结果53-55
• 5.2.2 对比分析55
• 5.2.3 大区域模拟结果55-56
• 5.3 本章小结56-57
• 结论57-59
• 参考文献59-64
• 致谢64-65
• 附录 攻读硕士期间所发表的论文65

【参考文献】

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本文编号：1073197