Al-Si合金枝晶形貌的三维相场法模拟
发布时间：2021-01-22 03:19
枝晶是金属凝固组织中典型的结构,枝晶的界面形态和稳态选择直接决定了凝固的组织特征和材料的最终性能。随着计算材料学的发展,数值模拟结合实验研究成为目前材料研究的前沿领域。其中相场法作为一种描述复杂相界面演化的强有力工具,在模拟金属凝固过程中枝晶复杂的形貌演化方面得到广泛的应用。本文采用包含固相扩散系数的三维相场模型对Al-Si合金枝晶生长过程进行了以下的研究。1.采用相场法模拟了不同相场模型参数下枝晶的生长过程并确定了合适的相场模型参数,研究结果表明:界面宽度会改变枝晶尖端的稳态行为,驰豫时间对枝晶的择优取向以及二次枝晶的生长具有重要影响。2.模拟了不同界面宽度、过冷度、过饱和度和热噪声幅值下等轴枝晶的演化过程,研究结果表明:界面宽度会影响枝晶形貌的复杂度和枝晶尖端的溶质浓度;过冷度对枝晶的生长速度和二次枝晶的发达程度具有重要影响;过饱和度会改变微观偏析程度和枝晶尖端速度;热噪声幅值会引发枝晶主干两侧二次枝晶的不对称生长,而枝晶尖端形貌变化较小。3.模拟了定向凝固过程中不同主枝晶间距、推进速度、温度梯度和热噪声幅值下枝晶侧枝的演化过程,研究发现:主枝晶间距会影响二次枝晶的数量和发达程度以...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同各向异性参数下等轴晶的枝晶取向转变[22]
对流对过冷熔体中自由枝晶的三维形貌的影响，结果表明对流会改变远离枝晶尖端传输和枝晶的对称形貌，使得上游枝晶尖端和侧枝生长速度比下游的快。定向凝固是一种研究晶体生长行为的最直接的方法，准确地获取定向凝固过程的梯度和抽拉速度，有助于深入了解金属材料的凝固特性。相场法在模拟定向凝固过的组织演化方面取得了较多的进展[50]。1997 年，Conti[51]通过建立包含溶质梯度的模型，研究了初始温度、温度梯度、浓度梯度对枝晶形貌和溶质分布的影响。随oettinger 等人[52]采用冻结温度条件下的定向凝固相场模型模拟了 Ni-Cu 合金在绝对平界面的生长条件下的界面形貌和溶质偏析，并揭示了初始平界面向胞晶结构转化力学过程。Tourret 等人[53]采用 Karma 相场模型研究了定向凝固过程中枝晶的竞争现象，研究表明不利取向的边侧枝生长会受到抑制并在实验中得到了验证，如图 1示。Beckermann 等人[54]使用相场法模拟了定向凝固条件下等轴晶的转变过程，并了温度梯度，抽拉速度等定向凝固参数对等轴晶转变过程的影响。
中北大学学位论文近年来，由于计算能力的稳步提升以及图形处理单元（GPU）多核架构上大规模代码的实现，相场法能够更为准确地模拟凝固过程中的微观组织演化。Bergeon 等通过定量相场模型研究了振荡模式对枝晶生长过程的影响。Karma 等人[56]采用粗晶网络法（DNN）模拟了枝晶的演化过程，结果表明这种方法能够在尺度上很好地连场模型和晶粒结构模型，从而为晶内、晶间相互作用力的定量建模开辟了新途径kaki 等人[57]采用高性能的并行算法模拟了合金凝固过程中大尺度枝晶的三维形貌表明在单向凝固过程中仍会存在大量不利取向的枝晶，如图 1.4 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Phase-field simulation for the evolution of solid/liquid interface front in directional solidification process[J]. Yuhong Zhao,Bing Zhang,Hua Hou,Weipeng Chen,Meng Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2019(06)
[2]合金凝固枝晶粗化的研究进展[J]. 朱鸣芳,邢丽科,方辉,张庆宇,汤倩玉,潘诗琰. 金属学报. 2018(05)
[3]Al-Zn合金等轴晶生长的三维相场法模拟[J]. 王鸿,赵宇宏,张冰,陈伟鹏,侯华. 铸造技术. 2018(04)
[4]定向凝固微观组织相场法模拟的研究进展[J]. 李勇,李焕,赵亚茹,周雅婷. 材料导报. 2016(09)
[5]界面润湿性及固相体积分数对颗粒粗化动力学影响的相场法研究[J]. 王陶,李俊杰,王锦程. 物理学报. 2013(10)
[6]横向限制下凝固微观组织演化的相场法模拟[J]. 杜立飞,张蓉,邢辉,张利民,张洋,刘林. 物理学报. 2013(10)
[7]相场法模拟多元合金过冷熔体中的枝晶生长[J]. 龙文元,蔡启舟,魏伯康,陈立亮. 物理学报. 2006(03)
[8]二元合金微观偏析的相场法数值模拟[J]. 朱昌盛,王智平,荆涛,肖荣振. 物理学报. 2006(03)
[9]Phase-field simulation of dendritic sidebranching induced by thermal noise[J]. 朱昌盛,王智平,荆涛,柳百成. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2004(06)
博士论文
[1]Fe-B和Nd-Fe-B磁性合金快速凝固过程微观组织演化相场模拟[D]. 伍雪花.华南理工大学 2017
[2]金属材料微观缺陷结构演化的机理研究[D]. 黄礼琳.广西大学 2017
[3]Al-Cu合金焊接熔池凝固枝晶动态生长机制的相场研究[D]. 郑文健.哈尔滨工业大学 2014
[4]复杂条件下金属凝固过程的相场方法模拟研究[D]. 杜立飞.西北工业大学 2014
[5]α-Mg枝晶凝固微观组织三维形貌研究[D]. 汪明月.清华大学 2011
[6]强制对流影响凝固微观组织的相场法研究[D]. 袁训锋.兰州理工大学 2011
[7]铝合金凝固过程枝晶生长的相场法数值模拟[D]. 龙文元.华中科技大学 2004
硕士论文
[1]Fe-C合金枝晶生长过程的相场法模拟研究[D]. 康永生.中北大学 2017
本文编号：2992445
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同各向异性参数下等轴晶的枝晶取向转变[22]
对流对过冷熔体中自由枝晶的三维形貌的影响，结果表明对流会改变远离枝晶尖端传输和枝晶的对称形貌，使得上游枝晶尖端和侧枝生长速度比下游的快。定向凝固是一种研究晶体生长行为的最直接的方法，准确地获取定向凝固过程的梯度和抽拉速度，有助于深入了解金属材料的凝固特性。相场法在模拟定向凝固过的组织演化方面取得了较多的进展[50]。1997 年，Conti[51]通过建立包含溶质梯度的模型，研究了初始温度、温度梯度、浓度梯度对枝晶形貌和溶质分布的影响。随oettinger 等人[52]采用冻结温度条件下的定向凝固相场模型模拟了 Ni-Cu 合金在绝对平界面的生长条件下的界面形貌和溶质偏析，并揭示了初始平界面向胞晶结构转化力学过程。Tourret 等人[53]采用 Karma 相场模型研究了定向凝固过程中枝晶的竞争现象，研究表明不利取向的边侧枝生长会受到抑制并在实验中得到了验证，如图 1示。Beckermann 等人[54]使用相场法模拟了定向凝固条件下等轴晶的转变过程，并了温度梯度，抽拉速度等定向凝固参数对等轴晶转变过程的影响。
中北大学学位论文近年来，由于计算能力的稳步提升以及图形处理单元（GPU）多核架构上大规模代码的实现，相场法能够更为准确地模拟凝固过程中的微观组织演化。Bergeon 等通过定量相场模型研究了振荡模式对枝晶生长过程的影响。Karma 等人[56]采用粗晶网络法（DNN）模拟了枝晶的演化过程，结果表明这种方法能够在尺度上很好地连场模型和晶粒结构模型，从而为晶内、晶间相互作用力的定量建模开辟了新途径kaki 等人[57]采用高性能的并行算法模拟了合金凝固过程中大尺度枝晶的三维形貌表明在单向凝固过程中仍会存在大量不利取向的枝晶，如图 1.4 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Phase-field simulation for the evolution of solid/liquid interface front in directional solidification process[J]. Yuhong Zhao,Bing Zhang,Hua Hou,Weipeng Chen,Meng Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2019(06)
[2]合金凝固枝晶粗化的研究进展[J]. 朱鸣芳,邢丽科,方辉,张庆宇,汤倩玉,潘诗琰. 金属学报. 2018(05)
[3]Al-Zn合金等轴晶生长的三维相场法模拟[J]. 王鸿,赵宇宏,张冰,陈伟鹏,侯华. 铸造技术. 2018(04)
[4]定向凝固微观组织相场法模拟的研究进展[J]. 李勇,李焕,赵亚茹,周雅婷. 材料导报. 2016(09)
[5]界面润湿性及固相体积分数对颗粒粗化动力学影响的相场法研究[J]. 王陶,李俊杰,王锦程. 物理学报. 2013(10)
[6]横向限制下凝固微观组织演化的相场法模拟[J]. 杜立飞,张蓉,邢辉,张利民,张洋,刘林. 物理学报. 2013(10)
[7]相场法模拟多元合金过冷熔体中的枝晶生长[J]. 龙文元,蔡启舟,魏伯康,陈立亮. 物理学报. 2006(03)
[8]二元合金微观偏析的相场法数值模拟[J]. 朱昌盛,王智平,荆涛,肖荣振. 物理学报. 2006(03)
[9]Phase-field simulation of dendritic sidebranching induced by thermal noise[J]. 朱昌盛,王智平,荆涛,柳百成. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2004(06)
博士论文
[1]Fe-B和Nd-Fe-B磁性合金快速凝固过程微观组织演化相场模拟[D]. 伍雪花.华南理工大学 2017
[2]金属材料微观缺陷结构演化的机理研究[D]. 黄礼琳.广西大学 2017
[3]Al-Cu合金焊接熔池凝固枝晶动态生长机制的相场研究[D]. 郑文健.哈尔滨工业大学 2014
[4]复杂条件下金属凝固过程的相场方法模拟研究[D]. 杜立飞.西北工业大学 2014
[5]α-Mg枝晶凝固微观组织三维形貌研究[D]. 汪明月.清华大学 2011
[6]强制对流影响凝固微观组织的相场法研究[D]. 袁训锋.兰州理工大学 2011
[7]铝合金凝固过程枝晶生长的相场法数值模拟[D]. 龙文元.华中科技大学 2004
硕士论文
[1]Fe-C合金枝晶生长过程的相场法模拟研究[D]. 康永生.中北大学 2017
本文编号：2992445
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