小晶面枝晶生長(zhǎng)的相場(chǎng)法模擬研究.pdf

1、鑄造生產(chǎn)，即將液態(tài)合金熔體澆注到鑄型中使之冷卻、凝固，得到具有一定形狀和尺寸的金屬制品的生產(chǎn)過程。在宏觀尺寸上，凝固成形過程賦予了金屬產(chǎn)品特定的形狀，在微觀上決定了金屬產(chǎn)品的組織、結(jié)構(gòu)和性能。金屬鑄件的綜合機(jī)械性能及使用性能的優(yōu)劣直接受到凝固成形過程中微觀組織變化的影響，有效地控制或引導(dǎo)凝固過程中微觀組織的形成對(duì)于生產(chǎn)出具有優(yōu)良綜合機(jī)械加工性能的鑄件意義重大。
　　相場(chǎng)法作為一種有效地預(yù)測(cè)過冷熔體凝固過程的數(shù)值模擬計(jì)算方法，在模擬

2、枝晶生長(zhǎng)方面得到了廣泛的應(yīng)用。強(qiáng)的各向異性或外場(chǎng)作用條件下，金屬/合金凝固過程晶體的形核和長(zhǎng)大將以小晶面枝晶的生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行。本文闡述了國(guó)內(nèi)外采用相場(chǎng)法模擬小晶面枝晶生長(zhǎng)的研究現(xiàn)狀，對(duì)不同的模擬結(jié)果進(jìn)行了分析討論。在Kim等人提出的相場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上，本文應(yīng)用界面能的校正形式，建立二元合金小晶面枝晶生長(zhǎng)的相場(chǎng)模型，對(duì)Si-10％Ni稀溶液二元合金小晶面枝晶生長(zhǎng)進(jìn)行了模擬，并提出了該領(lǐng)域進(jìn)一步的研究方向。
　　模擬結(jié)果表明，當(dāng)各向異性強(qiáng)

3、度系數(shù)超過臨界值v=1/15，枝晶生長(zhǎng)表現(xiàn)出小晶面生長(zhǎng)形態(tài)，枝晶尖端曲率效應(yīng)消失，呈現(xiàn)出棱角狀的不連續(xù)結(jié)構(gòu);在枝晶主支上產(chǎn)生大量側(cè)向分支。通過將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察的對(duì)比分析，驗(yàn)證了小晶面枝晶生長(zhǎng)相場(chǎng)模型的有效性。界面厚度對(duì)小晶面枝晶的生長(zhǎng)形貌、溶質(zhì)場(chǎng)再分配以及枝晶生長(zhǎng)速度有著重要的影響:薄的擴(kuò)散界面有利于凝固潛熱的釋放，促進(jìn)了固-液界面向液相中推進(jìn)，使得熱擾動(dòng)增加，利于二次枝晶以及高次枝晶的形成;由于較小的界面厚度個(gè)有利于溶質(zhì)原子擴(kuò)散和

4、結(jié)晶潛熱的釋放，所以隨著界面厚度的增加，枝晶生長(zhǎng)速度不斷減小。過冷度作為熔體凝固的先決條件，其取值的大小直接關(guān)乎小晶面枝晶形貌以及生長(zhǎng)速度的變化:隨著過冷度的增加，枝晶生長(zhǎng)速度加快，二次枝晶臂產(chǎn)生數(shù)量增多。隨著各向異性系數(shù)v值得不斷增大，二次枝晶愈加發(fā)達(dá)，二次枝晶數(shù)量增多，枝晶臂粗化，由此引發(fā)的溶質(zhì)截留效應(yīng)突出，同時(shí)小晶面枝晶宏觀特征越發(fā)明顯，具有晶面狀晶體特征。在v值小于臨界值前枝晶生長(zhǎng)速度隨v值增加而遞增，但當(dāng)v值超過臨界值時(shí)小晶面