基于相場(chǎng)法的二元合金凝固過程三維模擬及研究.pdf

1、凝固是一個(gè)宏微觀均極為復(fù)雜的過程，這其中包含了熱量的傳遞，溶質(zhì)的傳輸，結(jié)晶潛熱的釋放，也包括了微觀上形核和晶粒的長(zhǎng)大，枝晶之間的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)和溶質(zhì)的再分配等過程。相場(chǎng)法采用擴(kuò)散界面模型，避免了跟蹤固/液界面，在凝固模擬中獲得了很大的發(fā)展。
　　本文采用了包含反溶質(zhì)截留系數(shù)的Karma薄界面模型，對(duì)Fe-1.0wt.％C合金進(jìn)行了等溫凝固過程模擬，并探討了不同參數(shù)對(duì)枝晶形貌、溶質(zhì)偏析、枝晶生長(zhǎng)的影響規(guī)律，結(jié)論如下：
　?。?）采用

2、相場(chǎng)法模擬了Fe-1.0wt.%C二元合金等溫凝固枝晶生長(zhǎng)過程，獲得了具有二次分支的枝晶形貌，獲得了枝晶從擇優(yōu)生長(zhǎng)到發(fā)生重熔熟化的整個(gè)階段。完整呈現(xiàn)了枝晶的生長(zhǎng)過程。在計(jì)算過程中加入了溶質(zhì)截留影響，考慮到了在存在溶質(zhì)截留影響條件下枝晶內(nèi)部溶質(zhì)的分布情況，主軸晶中心濃度最低，二次枝晶臂間溶質(zhì)出現(xiàn)了富集，同時(shí)模型忽略了溶質(zhì)梯度項(xiàng)對(duì)溶質(zhì)分布的影響，使得界面推進(jìn)速度隨時(shí)間的波動(dòng)特別劇烈，界面推進(jìn)速度隨時(shí)間的波動(dòng)又引發(fā)界面前沿溶質(zhì)分配系數(shù)k相應(yīng)地

3、波動(dòng)，在枝晶內(nèi)部溶質(zhì)也出現(xiàn)了分布不均的現(xiàn)象。
　?。?）枝晶生長(zhǎng)過程中，尖端生長(zhǎng)速度經(jīng)歷了一個(gè)由極大值逐漸降低直至平穩(wěn)的過程，尖端半徑則呈現(xiàn)了逐漸增大然后基本平穩(wěn)的過程，說(shuō)明隨著枝晶生長(zhǎng)，尖端速度是逐漸降低，尖端半徑逐漸增大。
　?。?）當(dāng)過飽和度小于0.55時(shí)，過飽和度和過冷度對(duì)枝晶生長(zhǎng)產(chǎn)生的影響相同，當(dāng)過飽和度大于0.55后，枝晶形貌變得不規(guī)則。在過飽和度增大的過程中，凝固出現(xiàn)了枝晶的生長(zhǎng)由以溶質(zhì)擴(kuò)散為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)力學(xué)

4、因素控制為主的變化。當(dāng)過飽和度小于0.55時(shí)，隨著過飽和度的增大枝晶偏析變嚴(yán)重，而當(dāng)過飽和度大于0.55后，隨著過飽和度繼續(xù)增大偏析現(xiàn)象減輕。因此在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過加大過飽和度來(lái)減輕偏析。
　?。?）各向異性參數(shù)對(duì)凝固過程起著非常重要的作用，各向異性系數(shù)促進(jìn)枝晶的生長(zhǎng)，且隨著各向異性參數(shù)的增大，擾動(dòng)更容易被放大，晶粒形狀可能變得更復(fù)雜。
　?。?）噪聲不會(huì)對(duì)枝晶的生長(zhǎng)起到促進(jìn)作用，能夠使枝晶側(cè)向出現(xiàn)不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定使得固