基于相场法的二元合金凝固过程三维模拟及研究

发布时间：2017-08-21 18:16

  本文关键词：基于相场法的二元合金凝固过程三维模拟及研究

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【摘要】：凝固是一个宏微观均极为复杂的过程,这其中包含了热量的传递,溶质的传输,结晶潜热的释放,也包括了微观上形核和晶粒的长大,枝晶之间的竞争生长和溶质的再分配等过程。相场法采用扩散界面模型,避免了跟踪固/液界面,在凝固模拟中获得了很大的发展。本文采用了包含反溶质截留系数的Karma薄界面模型,对Fe-1.0wt.%C合金进行了等温凝固过程模拟,并探讨了不同参数对枝晶形貌、溶质偏析、枝晶生长的影响规律,结论如下:(1)采用相场法模拟了Fe-1.0wt.%C二元合金等温凝固枝晶生长过程,获得了具有二次分支的枝晶形貌,获得了枝晶从择优生长到发生重熔熟化的整个阶段。完整呈现了枝晶的生长过程。在计算过程中加入了溶质截留影响,考虑到了在存在溶质截留影响条件下枝晶内部溶质的分布情况,主轴晶中心浓度最低,二次枝晶臂间溶质出现了富集,同时模型忽略了溶质梯度项对溶质分布的影响,使得界面推进速度随时间的波动特别剧烈,界面推进速度随时间的波动又引发界面前沿溶质分配系数k相应地波动,在枝晶内部溶质也出现了分布不均的现象。(2)枝晶生长过程中,尖端生长速度经历了一个由极大值逐渐降低直至平稳的过程,尖端半径则呈现了逐渐增大然后基本平稳的过程,说明随着枝晶生长,尖端速度是逐渐降低,尖端半径逐渐增大。(3)当过饱和度小于0.55时,过饱和度和过冷度对枝晶生长产生的影响相同,当过饱和度大于0.55后,枝晶形貌变得不规则。在过饱和度增大的过程中,凝固出现了枝晶的生长由以溶质扩散为主逐渐转变为动力学因素控制为主的变化。当过饱和度小于0.55时,随着过饱和度的增大枝晶偏析变严重,而当过饱和度大于0.55后,随着过饱和度继续增大偏析现象减轻。因此在实际生产中可以通过加大过饱和度来减轻偏析。(4)各向异性参数对凝固过程起着非常重要的作用,各向异性系数促进枝晶的生长,且随着各向异性参数的增大,扰动更容易被放大,晶粒形状可能变得更复杂。(5)噪声不会对枝晶的生长起到促进作用,能够使枝晶侧向出现不稳定,这种不稳定使得固液界面的能量出现起伏变化,界面出现扰动。界面的扰动使得溶质场的分布出现变化,最终影响到了二次枝晶的出现及生长。
【关键词】：相场法 枝晶生长 Fe-C合金 枝晶形貌
【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】：TG111.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-26
• 1.1 背景及意义11-12
• 1.2 晶体生长理论12-16
• 1.2.1 形核理论12-14
• 1.2.2 枝晶生长理论14-15
• 1.2.3 微观偏析效应15-16
• 1.3 微观组织数值模拟方法介绍16-18
• 1.3.1 确定性方法16-17
• 1.3.2 随机性方法17-18
• 1.4 相场法理论及其研究现状18-24
• 1.4.1 相场法基本原理18-19
• 1.4.2 相场模型的建立19-20
• 1.4.3 相场方法在凝固过程模拟发展现状20-24
• 1.5 本领域主要存在的问题24-25
• 1.6 本文主要研究工作25-26
• 2 二元合金相场法及计算模型26-42
• 2.1 界面模型26-29
• 2.1.1 尖锐界面模型26-28
• 2.1.2 扩散界面模型28-29
• 2.2 相场基本原理29-33
• 2.2.1 Landau理论基本原理29
• 2.2.2 Ginzburg-Landau理论29
• 2.2.3 基于自由能泛函的相场模型29-30
• 2.2.4 基于熵函数的相场模型30-33
• 2.3 建立相场模型33-42
• 2.3.1 纯物质相场模型33-34
• 2.3.2 二元合金相场模型34-36
• 2.3.3 各向异性模型36-41
• 2.3.4 噪声41-42
• 3 模型的数值计算及程序简介42-49
• 3.1 初始条件和边界条件42
• 3.2 控制方程的离散42-43
• 3.2.1 时间离散42
• 3.2.2 空间离散42-43
• 3.3 自适应网格划分算法43-46
• 3.4 程序的实现及后处理46-49
• 3.4.1 基于Paraview的实体显示46-47
• 3.4.2 基于Origin的数据处理47
• 3.4.3 程序的实现47-49
• 4 Fe-C合金相场法模拟49-59
• 4.1 引言49
• 4.2 相关理论及控制方程49-50
• 4.3 计算材料物性参数的确定50
• 4.4 初始条件50-51
• 4.5 模拟结果与分析51-57
• 4.5.1 枝晶生长过程分析51-52
• 4.5.2 枝晶浓度分析52-56
• 4.5.3 尖端半径与生长速度56-57
• 4.6 本章结论57-59
• 5 Fe-C合金等温凝固枝晶生长影响因素分析59-68
• 5.1 引言59
• 5.2 各向异性对枝晶生长的影响59-61
• 5.3 过饱和度对枝晶生长的影响61-66
• 5.3.1 概念引入61-62
• 5.3.2 枝晶形貌分析62-64
• 5.3.3 枝晶生长参数的分析64-65
• 5.3.4 溶质偏析分析65-66
• 5.4 噪声对枝晶形貌的影响66
• 5.5 本章结论66-68
• 6 结论68-69
• 参考文献69-76
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果76-77
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目77-78
• 致谢78-79

【参考文献】

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本文编号：714382