铝硅合金凝固过程组织演变数值模拟
发布时间：2021-03-27 16:11
铝硅合金以其特有的综合性能在汽车和航空航天等领域获得了迅猛的发展。但是由于铸造工艺的差别,合金性能差异较大,不同的凝固方式会产生不同的微观组织,从而造成同一成分或不同成分合金之间宏观性能的差异。为了准确的控制合金的宏观性能,需要透彻的了解凝固过程中微观组织的演变过程,从而制定出合理的工艺方案,但凝固组织受到多个外在因素（冷却速度、合金成分等）的综合影响,通过实验探究微观条件下单个因素对合金组织形貌的影响较为困难。而作为实验的有效补充,数值模拟技术限制条件较少,可以较好的重现合金凝固过程中微观组织的演变过程,从而大幅缩短实验周期。本文以元胞自动机（CA）方法为理论基础,在Visual Studio 2010 MFC平台,利用C++语言进行编程,分别建立了铝硅共晶、初生铝枝晶以及初生硅的形核生长模型。首先对于铝硅共晶组织,根据其生长的特点,本文采用交叉形核的形核机制,并通过实验和模拟结果的对比确定了不同过冷度下,交叉形核模型中临界形核浓度值的变化规律,在此基础上,得到了共晶铝硅合金的凝固模型;对于初生铝,通过引入各向异性函数和偏心算法,得到了初生铝的生长模型;对于初生硅,本文通过分析八面体...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?Ａｌ－７Ｓｉ中初生Ａ１枝晶的形貌演变［２１］??
．?’?：?＇?麵論??１０００?ｊｊｍ??图１－１?Ａｌ－７Ｓｉ中初生Ａ１枝晶的形貌演变［２１］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ?ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ｐｒｉｍａｒｙ?Ａ１?ｄｅｎｄｒｉｔｅｓ?ｉｎ?Ａｌ－７Ｓｉ??随着计算机技术的高速发展，通过建立恰当的数学物理模型，利用计算机强??大的运算能力求解分析晶粒尺度上合金的凝固过程和组织演变逐渐成为一种新??的趋势。微观组织数值模拟技术限制条件较少，而且作为实验手段的有效补充，??可以极大地减少实验工作量，并能准确的预测在改变工艺条件时合金的微观组织??变化，从而推断出对应条件下合金的力学性能ｔｑ。微观组织数值模拟的求解过程??是指在微观尺度下以合金凝固过程中涉及到的物理现象为基础建立一个数学模??型将晶粒形核、生长、温度场和浓度场等相结合的过程。经过多年的发展，微观??组织数值模拟从定性模拟、定点形核、单一物质、二维尺度逐步完善发展到定量??模拟、随机形核、多元合金、三维尺度［２３］，逐渐形成了确定性方法、随机性方法??（元胞自动机方法、蒙特卡罗方法）和相场法。四种方法各有优缺点，因此在模??拟计算过程中需要根据计算需求以及合金组织的生长特点进行选择。??１．２?Ａｌ－Ｓｉ合金微观组织特点??作为典型的二元共晶合金
?（ｄ）?ｉ＾＾ｆｆＢｒａ??爱幽??图１－４根据八叉树网格技术模拟得到的单个等轴晶的生长演变过程??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｓｉｎｇｌｅ?ｅｑｕｉａｘｅｄ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｇｒｏｗｔｈ?ａｎｄ?ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｂａｓｅｄ?ｏｎ?ｏｃｔｒｅｅ?ｍｅｓｈ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ??１．４元胞自动机模型原理及发展现状??作为另一种随机性模拟方法，元胞自动机法（ＣＡ法）是以随机性概念为基??础来处理诸如晶粒形核位置分布、生长时晶粒取向、溶质扩散和热量传递等问题。??其模拟原理是首先根据需要将一维、二维或三维计算区域剖分成一定形状的微观??网格作为元胞，并赋予其初始状态，然后根据一定的转变规则，计算元胞状态的??变化。因此，ＣＡ模型一般由五个部分组成：??（１）
【参考文献】：
期刊论文
[1]Structural evolution of Al–8%Si hypoeutectic alloy by ultrasonic processing[J]. J.Y.Wang,B.J.Wang,L.F.Huang. Journal of Materials Science & Technology. 2017(11)
[2]同步辐射成像技术在金属材料研究中的应用[J]. 曹飞,王同敏. 中国材料进展. 2017(03)
[3]Modeling of aluminum-silicon irregular eutectic growth by cellular automaton model[J]. Rui Chen,Qing-yan Xu,Bai-cheng Liu. China Foundry. 2016(02)
[4]Al-7Si-Mg合金凝固过程形核模型建立及枝晶生长过程数值模拟[J]. 陈瑞,许庆彦,吴勤芳,郭会廷,柳百成. 金属学报. 2015(06)
[5]球墨铸铁凝固显微组织的元胞自动机模拟[J]. 张蕾,赵红蕾,朱鸣芳. 金属学报. 2015(02)
[6]A Modified Cellular Automaton Model for the Quantitative Prediction of Equiaxed and Columnar Dendritic Growth[J]. Rui Chen,Qingyan Xu,Baicheng Liu. Journal of Materials Science & Technology. 2014(12)
[7]微观组织演变元胞自动机模拟研究进展[J]. 陈飞,崔振山,董定乾. 机械工程学报. 2015(04)
[8]基于四叉树网格技术的铝合金组织的数值模拟[J]. 杨欢庆,殷亚军,王琳,廖敦明,周建新. 特种铸造及有色合金. 2013(07)
[9]基于改进元胞自动机模型的三元合金枝晶生长的数值模拟[J]. 石玉峰,许庆彦,柳百成. 物理学报. 2012(10)
[10]定向凝固共晶生长的元胞自动机数值模拟[J]. 石玉峰,许庆彦,柳百成. 金属学报. 2012(01)
博士论文
[1]基于八叉树网格技术的相场法金属凝固过程组织模拟的研究[D]. 殷亚军.华中科技大学 2013
[2]铝硅合金变质条件下凝固过程及模拟的研究[D]. 孙玉成.山东大学 2012
[3]变质对过共晶铝硅合金中初生硅的影响及其作用机制[D]. 许长林.吉林大学 2007
[4]基于宏—微观模型的球墨铸铁凝固过程数值模拟[D]. 郑洪亮.山东大学 2007
[5]铸造合金的微观组织模拟[D]. 丁恒敏.华中科技大学 2005
[6]过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟[D]. 于艳梅.西北工业大学 2002
硕士论文
[1]基于元胞自动机的球墨铸铁凝固演变数值模拟[D]. 赵庆明.山东大学 2016
[2]单相材料动态再结晶元胞自动机模型的改进[D]. 付杰.山东大学 2014
[3]GCr15元胞自动机的动态再结晶模拟[D]. 李冠运.武汉理工大学 2014
[4]MC法模拟二元合金的共晶凝固[D]. 于海青.中国海洋大学 2008
[5]晶粒组织演化的元胞自动机模拟[D]. 何东.哈尔滨工业大学 2007
[6]金属凝固过程微观组织形成的相场法模拟研究[D]. 刘静.西北工业大学 2006
[7]金属材料动态再结晶过程的元胞自动机法数值模拟[D]. 何燕.大连理工大学 2005
[8]复合变质处理制备（大）过共晶铝硅合金[D]. 孙淑红.昆明理工大学 2004
本文编号：3103802
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?Ａｌ－７Ｓｉ中初生Ａ１枝晶的形貌演变［２１］??
．?’?：?＇?麵論??１０００?ｊｊｍ??图１－１?Ａｌ－７Ｓｉ中初生Ａ１枝晶的形貌演变［２１］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ?ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ｐｒｉｍａｒｙ?Ａ１?ｄｅｎｄｒｉｔｅｓ?ｉｎ?Ａｌ－７Ｓｉ??随着计算机技术的高速发展，通过建立恰当的数学物理模型，利用计算机强??大的运算能力求解分析晶粒尺度上合金的凝固过程和组织演变逐渐成为一种新??的趋势。微观组织数值模拟技术限制条件较少，而且作为实验手段的有效补充，??可以极大地减少实验工作量，并能准确的预测在改变工艺条件时合金的微观组织??变化，从而推断出对应条件下合金的力学性能ｔｑ。微观组织数值模拟的求解过程??是指在微观尺度下以合金凝固过程中涉及到的物理现象为基础建立一个数学模??型将晶粒形核、生长、温度场和浓度场等相结合的过程。经过多年的发展，微观??组织数值模拟从定性模拟、定点形核、单一物质、二维尺度逐步完善发展到定量??模拟、随机形核、多元合金、三维尺度［２３］，逐渐形成了确定性方法、随机性方法??（元胞自动机方法、蒙特卡罗方法）和相场法。四种方法各有优缺点，因此在模??拟计算过程中需要根据计算需求以及合金组织的生长特点进行选择。??１．２?Ａｌ－Ｓｉ合金微观组织特点??作为典型的二元共晶合金
?（ｄ）?ｉ＾＾ｆｆＢｒａ??爱幽??图１－４根据八叉树网格技术模拟得到的单个等轴晶的生长演变过程??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｓｉｎｇｌｅ?ｅｑｕｉａｘｅｄ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｇｒｏｗｔｈ?ａｎｄ?ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｂａｓｅｄ?ｏｎ?ｏｃｔｒｅｅ?ｍｅｓｈ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ??１．４元胞自动机模型原理及发展现状??作为另一种随机性模拟方法，元胞自动机法（ＣＡ法）是以随机性概念为基??础来处理诸如晶粒形核位置分布、生长时晶粒取向、溶质扩散和热量传递等问题。??其模拟原理是首先根据需要将一维、二维或三维计算区域剖分成一定形状的微观??网格作为元胞，并赋予其初始状态，然后根据一定的转变规则，计算元胞状态的??变化。因此，ＣＡ模型一般由五个部分组成：??（１）
【参考文献】：
期刊论文
[1]Structural evolution of Al–8%Si hypoeutectic alloy by ultrasonic processing[J]. J.Y.Wang,B.J.Wang,L.F.Huang. Journal of Materials Science & Technology. 2017(11)
[2]同步辐射成像技术在金属材料研究中的应用[J]. 曹飞,王同敏. 中国材料进展. 2017(03)
[3]Modeling of aluminum-silicon irregular eutectic growth by cellular automaton model[J]. Rui Chen,Qing-yan Xu,Bai-cheng Liu. China Foundry. 2016(02)
[4]Al-7Si-Mg合金凝固过程形核模型建立及枝晶生长过程数值模拟[J]. 陈瑞,许庆彦,吴勤芳,郭会廷,柳百成. 金属学报. 2015(06)
[5]球墨铸铁凝固显微组织的元胞自动机模拟[J]. 张蕾,赵红蕾,朱鸣芳. 金属学报. 2015(02)
[6]A Modified Cellular Automaton Model for the Quantitative Prediction of Equiaxed and Columnar Dendritic Growth[J]. Rui Chen,Qingyan Xu,Baicheng Liu. Journal of Materials Science & Technology. 2014(12)
[7]微观组织演变元胞自动机模拟研究进展[J]. 陈飞,崔振山,董定乾. 机械工程学报. 2015(04)
[8]基于四叉树网格技术的铝合金组织的数值模拟[J]. 杨欢庆,殷亚军,王琳,廖敦明,周建新. 特种铸造及有色合金. 2013(07)
[9]基于改进元胞自动机模型的三元合金枝晶生长的数值模拟[J]. 石玉峰,许庆彦,柳百成. 物理学报. 2012(10)
[10]定向凝固共晶生长的元胞自动机数值模拟[J]. 石玉峰,许庆彦,柳百成. 金属学报. 2012(01)
博士论文
[1]基于八叉树网格技术的相场法金属凝固过程组织模拟的研究[D]. 殷亚军.华中科技大学 2013
[2]铝硅合金变质条件下凝固过程及模拟的研究[D]. 孙玉成.山东大学 2012
[3]变质对过共晶铝硅合金中初生硅的影响及其作用机制[D]. 许长林.吉林大学 2007
[4]基于宏—微观模型的球墨铸铁凝固过程数值模拟[D]. 郑洪亮.山东大学 2007
[5]铸造合金的微观组织模拟[D]. 丁恒敏.华中科技大学 2005
[6]过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟[D]. 于艳梅.西北工业大学 2002
硕士论文
[1]基于元胞自动机的球墨铸铁凝固演变数值模拟[D]. 赵庆明.山东大学 2016
[2]单相材料动态再结晶元胞自动机模型的改进[D]. 付杰.山东大学 2014
[3]GCr15元胞自动机的动态再结晶模拟[D]. 李冠运.武汉理工大学 2014
[4]MC法模拟二元合金的共晶凝固[D]. 于海青.中国海洋大学 2008
[5]晶粒组织演化的元胞自动机模拟[D]. 何东.哈尔滨工业大学 2007
[6]金属凝固过程微观组织形成的相场法模拟研究[D]. 刘静.西北工业大学 2006
[7]金属材料动态再结晶过程的元胞自动机法数值模拟[D]. 何燕.大连理工大学 2005
[8]复合变质处理制备（大）过共晶铝硅合金[D]. 孙淑红.昆明理工大学 2004
本文编号：3103802
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/3103802.html
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