相场法模拟二元合金枝晶生长

发布时间：2017-09-05 23:22

  本文关键词：相场法模拟二元合金枝晶生长

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【摘要】：金属凝固过程中的枝晶形貌对所制备材料的宏观特性有着至关重要的影响,因此,金属凝固过程的控制方法一直是材料科学领域研究的重要内容。在金属的凝固过程中存在复杂的热量、质量的传输以及界面形态和界面能的相互作用,所以欲对凝固过程实现控制,需要同时控制较多的参数和复杂的边界条件。这使得采用实验手段来控制金属凝固过程变得较为困难。随着计算机技术的飞速发展,微观组织计算机模拟已成为研究金属凝固过程的最重要手段之一。上世纪八十年代以来,相场法以其简单明了的表征方法和对多种组织变化的适应性逐步成为材料科学领域研究微观组织生长的主要手段。相场法是以金兹堡-朗道理论为基础,引入相场序参量j,用j=1表示固相,j=0表示液相,中间值则表示界面。通过建立与温度场和溶质场相互耦合的微分方程组,有效地将微观模拟与实际宏观过程结合起来,从而更加真实地对金属材料的凝固过程进行计算机模拟。因此,本文采用相场法作为基本方法来研究二元合金的枝晶生长过程。本文首先对相场法的发展过程、相变理论及相场模拟方法做了简单的介绍,以熵增原理及热力学定律为基础,建立起了二元合金在凝固过程中的热力学一致性的相场模型,给出了引入各向异性后的相场、温度场以及溶质场相耦合的控制方程组。利用建立好的相场模型对Zn-Al二元合金的枝晶生长过程进行了模拟。采用控制变量法研究了各向异性强度系数、界面动力学系数、界面能以及温度梯度对枝晶生长过程中的形貌和生长速度的影响。通过分析模拟的结果,得出了下列结论:1)随着各向异性强度系数的增大,枝晶生长速度加快且更容易出现二次支臂。2)随着界面动力学系数的增大,枝晶生长速度随之加快。3)随着界面能的增大,枝晶生长速度随之加快。4)温度梯度对于枝晶形貌的影响主要体现在二次支臂上,而在温度梯度的方向上,枝晶生长明显加快,但是并没有规律可寻。
【关键词】：相场法 数值模拟 枝晶生长
【学位授予单位】：沈阳师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG111.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 引言10-20
• 一、枝晶生长研究背景10-11
• 二、微观组织的数值模拟11-15
• （一）微观组织数值模拟的作用11
• （二）微观组织数值模拟方法11-15
• 三、相场法的发展过程15-17
• 四、相变的基本理论17-18
• （一）朗道的唯相理论17-18
• （二）金斯堡-朗道相变理论18
• 五、本文的研究问题及意义18-20
• （一）现有方法存在的问题18-19
• （二）研究目的及意义19
• （三）研究内容19-20
• 第二章 相场模型的建立及求解20-36
• 一、相场模型的推导方法20-22
• （一）由自由能函数关系推导出的相场模型20-21
• （二）由熵增方法推导出的相场模型21-22
• 二、相场模型的建立22-28
• （一）纯物质相场模型的建立22-26
• （二）二元合金相场模型的建立26-28
• （三）相场模型的无量纲化处理28
• 三、各向异性的引入28-29
• 四、相场模型的计算方法29-31
• （一）有限元法30
• （二）有限差分法30-31
• 五、相场模型的离散31-33
• （一）相场方程的离散31-32
• （二）温度场方程的离散32-33
• （三）溶质场方程的离散33
• 六、相场模型的程序实现33-35
• （一）相场模型的程序设计33-34
• （二）初始条件和边界条件的设定34
• （三）合金的物性参数34-35
• 七、相场模型的可视化35-36
• 第三章 相场法模拟锌铝二元合金枝晶生长36-42
• 一、各向异性强度系数对枝晶生长的影响36-37
• （一）对枝晶形貌的影响36-37
• （二）对枝晶尖端生长速度的影响37
• 二、界面动力学系数对枝晶生长的影响37-39
• （一）对枝晶形貌的影响37-38
• （二）对枝晶尖端生长速度的影响38-39
• 三、界面能对枝晶生长的影响39-41
• （一）对枝晶形貌的影响39-40
• （二）对枝晶尖端生长速度的影响40-41
• 四、温度梯度对枝晶生长的影响41-42
• 结论42-43
• 附录43-47
• 致谢47-48
• 个人简历及发表论文48-49
• 参考文献49-51

【参考文献】

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本文编号：800807