NiCu合金的相场法模拟及相关模型的研究

发布时间：2017-03-26 17:12

  本文关键词：NiCu合金的相场法模拟及相关模型的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微观组织计算机模拟的发展及应用是凝固理论用于实际生产的最佳途径。目前能够模拟微观组织的模型主要有:确定性方法、随机方法以及相场法。相场法由于能够有效的描述系统在非平衡状态下所形成的复杂相界面的演变,不用跟踪其固液界面区域的形态,就能模拟金属凝固时其枝晶界面演化的复杂形貌,是当前凝固组织微观模拟研究的前沿领域。基于Karma极限薄界面相场模型,分析了热耦合强度对纯Ni枝晶生长的影响。随着热耦合强度逐步减弱,潜热温度场对相场的抑制作用削弱,主枝出现更多的二次枝晶且逐步粗化。采用耦合热扰动的相场模型,对Ni-Cu合金枝晶生长过程中的枝晶形貌和微观偏析进行计算。随过冷度增加,一次枝晶干轴对称中心处的溶质浓度升高,一次枝晶干和二次枝晶臂间富集了更多的溶质。过冷度越大,固液界面前沿溶质扩散层越薄,枝晶的微观偏析越严重。即溶质微观偏析程度随过冷度的增大而增大。基于WBM II型相场模型,在其基础上对界面区域的溶质浓度设定进行进一步细化定义和分析,使其更符合实际的凝固情况。对模型中的界面厚度进行修正,并在此基础上对Ni-Cu合金枝晶生长过程中的枝晶形貌和溶质分布进行了模拟。随界面厚度减小,二次枝晶更发达,枝晶主干变细。界面厚度越小,固液界面前沿溶质扩散层就变得越薄,其前沿的溶质就更容易扩散到相邻的液相中,枝晶生长就越快。
【关键词】：微观组织 凝固相场法 枝晶生长 数值模拟
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.15
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 引言10-11
• 1.1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 微观组织模拟的研究方法11-12
• 1.2.1 材料模拟尺度的划分11-12
• 1.3 凝固过程微观组织的模拟方法12-14
• 1.3.1 确定性方法12
• 1.3.2 随机性方法12-13
• 1.3.3 相场法13-14
• 1.3.4 以上几种模拟方法的优劣分析14
• 1.4 凝固微观组织形成过程模拟的研究现状14-18
• 1.4.1 随机性方法模拟凝固微观组织的历史和现状15
• 1.4.2 确定性方法模拟凝固微观组织的历史和现状15-16
• 1.4.3 相场方法模拟凝固微观组织的历史16-18
• 1.5 本文的研究内容18-19
• 2 相场模型19-39
• 2.1 相场模型理论19-22
• 2.1.1 引言19
• 2.1.2 朗道理论19-21
• 2.1.3 金兹堡-朗道理论21-22
• 2.2 界面模型22-24
• 2.2.1 尖锐界面模型22-23
• 2.2.2 扩散界面模型23-24
• 2.3 相场模型24-38
• 2.3.1 相场基本原理24-26
• 2.3.2 纯物质的相场模型26-27
• 2.3.3 纯物质三维相场模型27-31
• 2.3.4 二元单相合金相场模型31-33
• 2.3.5 相场模型参数33-35
• 2.3.6 各向异性35
• 2.3.7 热扰动35-36
• 2.3.8 相场差分稳定性条件36
• 2.3.9 相场图像参数的获取36-37
• 2.3.10程序流程图37-38
• 2.4 本章小结38-39
• 3 纯Ni的非等温相场法模拟39-48
• 3.1 引言39
• 3.2 耦合温度场的相场方程39-40
• 3.3 计算的初始边界条件40
• 3.4 数值计算方法40-41
• 3.5 材料物性参数41
• 3.6 相场模拟与结果分析41-46
• 3.7 本章小结46-48
• 4 过冷度对Ni-Cu合金枝晶生长的相场法模拟48-56
• 4.1 引言48
• 4.2 二元合金相场控制方程48-50
• 4.2.1 相场方程48-49
• 4.2.2 溶质扩散方程49
• 4.2.3 温度场控制方程49
• 4.2.4 扰动模型49-50
• 4.3 数值计算参数的确定50
• 4.3.1 初始及边界条件50
• 4.3.2 数值计算方法50
• 4.4 模拟结果及分析50-55
• 4.5 本章小结55-56
• 5 不同界面厚度下Ni-Cu合金枝晶生长的相场法模拟56-67
• 5.1 引言56
• 5.2 控制方程56-59
• 5.2.1 耦合温度场的相场方程56-58
• 5.2.2 溶质扩散方程58
• 5.2.3 热扩散方程58-59
• 5.3 计算参数的选择与确定59-60
• 5.3.1 相场计算参数的确定59
• 5.3.2 扰动的选择59-60
• 5.3.3 界面厚度x的修正60
• 5.4 数值计算60-61
• 5.4.1 初始条件和边界条件60
• 5.4.2 数值计算方法60-61
• 5.5 模拟结果与分析61-65
• 5.5.1 修正界面厚度中Τ对枝晶生长的影响61-64
• 5.5.2 不同界面厚度对枝晶生长的影响64-65
• 5.6 本章小结65-67
• 6 结论67-68
• 参考文献68-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果73-74
• 致谢74-75

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