相场法在金属凝固过程的应用现状
发布时间：2021-10-29 21:32
相场法是在计算材料学中发展最快的一种强大的计算方法,以基本的热力学和动力学为输入,可用于模拟和预测材料的介观尺度形貌和微观结构的演变。首先总结了相场模型的历史发展、物理基础、数学表达及其数值求解,其次分析了相场法在纯物质、二元合金、多组分系统以及定向凝固、增材制造等领域中的应用情况,最后对相场法进行了总结及展望,并指出相场法发展应趋向于超大尺度相场模拟技术,更高效算法的开发,相场模型与热力学、动力学数据库的结合,工业应用的探索以及与实验观察技术的进一步结合。
【文章来源】：钢铁研究学报. 2020,32(10)北大核心CSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
等温条件下从高度过饱和的二元熔体中
通常对于材料建模有2种观点:宏观和微观。纯物质凝固过程相变的宏观描述可以追溯到19世纪的Stefan。系统的基本方程式称为尖锐界面模型或Stefan模型[44-46]:对于无量纲的温度场u=(T-T∞)/(L/cp),其中u为无量纲温度;T为局部温度;T∞为远场温度;L为熔化潜热;cp为定压比热容。其扩散方程为:?u ?t =D? 2 u?????? ??? (1)
对微观结构建模的扩散界面方法具有大尺度分离的特点,相边界的厚度在纳米级,而微观结构的特征通常在微米甚至毫米的尺度上才能观察到,因此通常要解决跨越几个数量级的问题。此外,由于相场和扩散场的变化通常在界面区域上,这促进了能够跟踪相边界迁移的自适应网格的发展。Provatas等[62]提出了在二维自适应非结构化网格上树枝晶生长的有限元解决方法,在其自适应代码中,实现了动态四叉树的数据结构。Tonhardt和Amberg[63-65]使用自适应三角网格上的有限元方法研究了对流对树枝晶生长的影响,该代码也被用于模拟二元合金的树枝状凝固[61]。Braun和Murray[66]使用一般的自适应有限差分技术耦合相场模型进行了计算。Lan等[67-68]展示了有限体积方法在自适应四边形网格上进行二维模拟树枝晶生长的潜力。Do-Quang等[69]进行了二维和三维自适应有限元代码的并行化。Greenwood等[70]介绍了一种新的三维MPI并行自适应网格算法,并用其对微观结构形成的自由边界问题进行了研究。Guo等[71-75]也针对不同的研究问题,利用了并行自适应网格算法来求解三维相场方程。此外,Chen和Shen[76]提出使用半隐式傅立叶谱方法来计算以远程弹性相互作用为主导的系统的演化。Shimokawabe等[77]利用TSUBAME 2.0超级计算机,在超大规模下采用新的模拟技术对二元合金的复杂树枝晶生长进行了模拟,实际模拟结果可见图2。(3)相场建模的软件框架:
【参考文献】：
期刊论文
[1]Study on Dendritic Growth in Pressurized Solidification of Mg–Al Alloy Using Phase Field Simulation[J]. Haowei Pan,Zhiqiang Han,Baicheng Liu. Journal of Materials Science & Technology. 2016(01)
[2]Numerical simulation of recalescence of 3-dimensional isothermal solidification for binary alloy using phase-field approach[J]. 朱昌盛,肖荣振,王智平,冯力. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009(05)
[3]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)
[4]铸造合金凝固组织的计算机模拟与预测[J]. 许庆彦,柳百成. 稀有金属材料与工程. 2003(06)
[5]用相场方法模拟纯物质等轴枝晶生长[J]. 张玉妥,李殿中,李依依,庞维诚,丁彦明. 金属学报. 2000(06)
博士论文
[1]多晶多相凝固系统的相场模型研究[D]. 杨超.北京科技大学 2020
[2]金属材料微观组织结构演化的相场法研究[D]. 罗志荣.广西大学 2013
[3]Cu-Ni-Si合金微结构及相变的计算与模拟[D]. 龙永强.上海交通大学 2011
[4]基于Thermo-Calc热力学计算Al-Cu共晶合金微观组织模拟及实验验证[D]. 汤进军.哈尔滨工业大学 2010
[5]铸造合金的微观组织模拟[D]. 丁恒敏.华中科技大学 2005
[6]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
[7]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]Al-Si合金枝晶形貌的三维相场法模拟[D]. 张冰.中北大学 2019
[2]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
本文编号：3465433
【文章来源】：钢铁研究学报. 2020,32(10)北大核心CSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
等温条件下从高度过饱和的二元熔体中
通常对于材料建模有2种观点:宏观和微观。纯物质凝固过程相变的宏观描述可以追溯到19世纪的Stefan。系统的基本方程式称为尖锐界面模型或Stefan模型[44-46]:对于无量纲的温度场u=(T-T∞)/(L/cp),其中u为无量纲温度;T为局部温度;T∞为远场温度;L为熔化潜热;cp为定压比热容。其扩散方程为:?u ?t =D? 2 u?????? ??? (1)
对微观结构建模的扩散界面方法具有大尺度分离的特点,相边界的厚度在纳米级,而微观结构的特征通常在微米甚至毫米的尺度上才能观察到,因此通常要解决跨越几个数量级的问题。此外,由于相场和扩散场的变化通常在界面区域上,这促进了能够跟踪相边界迁移的自适应网格的发展。Provatas等[62]提出了在二维自适应非结构化网格上树枝晶生长的有限元解决方法,在其自适应代码中,实现了动态四叉树的数据结构。Tonhardt和Amberg[63-65]使用自适应三角网格上的有限元方法研究了对流对树枝晶生长的影响,该代码也被用于模拟二元合金的树枝状凝固[61]。Braun和Murray[66]使用一般的自适应有限差分技术耦合相场模型进行了计算。Lan等[67-68]展示了有限体积方法在自适应四边形网格上进行二维模拟树枝晶生长的潜力。Do-Quang等[69]进行了二维和三维自适应有限元代码的并行化。Greenwood等[70]介绍了一种新的三维MPI并行自适应网格算法,并用其对微观结构形成的自由边界问题进行了研究。Guo等[71-75]也针对不同的研究问题,利用了并行自适应网格算法来求解三维相场方程。此外,Chen和Shen[76]提出使用半隐式傅立叶谱方法来计算以远程弹性相互作用为主导的系统的演化。Shimokawabe等[77]利用TSUBAME 2.0超级计算机,在超大规模下采用新的模拟技术对二元合金的复杂树枝晶生长进行了模拟,实际模拟结果可见图2。(3)相场建模的软件框架:
【参考文献】：
期刊论文
[1]Study on Dendritic Growth in Pressurized Solidification of Mg–Al Alloy Using Phase Field Simulation[J]. Haowei Pan,Zhiqiang Han,Baicheng Liu. Journal of Materials Science & Technology. 2016(01)
[2]Numerical simulation of recalescence of 3-dimensional isothermal solidification for binary alloy using phase-field approach[J]. 朱昌盛,肖荣振,王智平,冯力. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009(05)
[3]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)
[4]铸造合金凝固组织的计算机模拟与预测[J]. 许庆彦,柳百成. 稀有金属材料与工程. 2003(06)
[5]用相场方法模拟纯物质等轴枝晶生长[J]. 张玉妥,李殿中,李依依,庞维诚,丁彦明. 金属学报. 2000(06)
博士论文
[1]多晶多相凝固系统的相场模型研究[D]. 杨超.北京科技大学 2020
[2]金属材料微观组织结构演化的相场法研究[D]. 罗志荣.广西大学 2013
[3]Cu-Ni-Si合金微结构及相变的计算与模拟[D]. 龙永强.上海交通大学 2011
[4]基于Thermo-Calc热力学计算Al-Cu共晶合金微观组织模拟及实验验证[D]. 汤进军.哈尔滨工业大学 2010
[5]铸造合金的微观组织模拟[D]. 丁恒敏.华中科技大学 2005
[6]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
[7]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]Al-Si合金枝晶形貌的三维相场法模拟[D]. 张冰.中北大学 2019
[2]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
本文编号：3465433
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