多元合金凝固微觀組織的相場法模擬研究.pdf

1、鑄件的力學(xué)性能優(yōu)劣和使用壽命主要取決于鑄件在凝固過程中所形成的微觀組織，有效地控制鑄件成型過程中微觀組織的形成具有非常重要的科學(xué)與工程意義，但是由于成型過程需要控制大量的參數(shù)，全部用實驗手段不太現(xiàn)實，因而微觀組織演化過程的數(shù)值模擬為鑄件成型控制和多元合金材料的研制提供了一個有效的新途徑。微觀組織的數(shù)值模擬可以有效地降低新合金材料的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，少量的實驗既可達(dá)到合金的凝固組織預(yù)測和力學(xué)性能控制，又可獲得主要工藝參數(shù)與合金凝固組

2、織的定量關(guān)系，為成型過程的工藝控制和合金凝固組織的改善提供了可靠依據(jù)。
　　 相場法是一種計算技術(shù)，它能使研究者直接模擬微觀組織的形成。相場模型中包括一組描述溫度場、濃度場和相場有序參數(shù)的方程，相場法借助相場與其它外部場的耦合，在金屬充型和凝固過程中，有效地將微觀與宏觀尺度相結(jié)合，能夠比較真實地模擬凝固過程。
　　 在參閱國內(nèi)外相場理論的基礎(chǔ)上，完善二元合金凝固過程中枝晶生長的二維相場模型，在模型中考慮溶質(zhì)擴(kuò)散與各向異性

3、對枝晶形貌的影響，考慮固-液界面存在的大量結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏對組織生長的影響，并對微觀組織形成模擬中的若干現(xiàn)象進(jìn)行分析和討論。在單晶粒生長的相場模型的基礎(chǔ)上，引入方向系數(shù)，提出了二元及多元合金多晶粒生長的相場模型。推導(dǎo)分析多相場共晶生長的相場模型，實現(xiàn)合金共晶組織生長過程的模擬。
　　 討論了相場方程的時域離散與空間離散，優(yōu)化了相場法數(shù)值模擬的初始條件、邊界條件、穩(wěn)定性條件及其數(shù)值求解方法?；诮换ナ酱笮凸こ虦y試和復(fù)雜數(shù)值計算結(jié)

4、果的可視化工具Tecplot，采用Visual C++自行編程將計算結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Tecplot標(biāo)準(zhǔn)輸入文件，實現(xiàn)了相場法微觀組織模擬的可視化軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可有效處理計算中相關(guān)的復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還可實現(xiàn)計算結(jié)果的逼真顯示及圖象和動畫的處理，方便地分析模擬結(jié)果的特征、規(guī)律。
　　 使用提出的二元合金多晶粒生長的相場模型，以Al-Cu合金為例，模擬了二元合金等溫凝固過程中多個晶粒的生長過程。研究了二元合金凝固過程中多個晶粒枝晶的

5、競爭生長機制。觀察分析了多個枝晶與單個枝晶生長形貌的差別、晶粒之間的溶質(zhì)分布狀況。結(jié)果表明：在枝晶生長的初期，各個枝晶之間還沒有相互影響的時候，枝晶的生長都和單個枝晶生長的情況相同，符合經(jīng)典理論。在枝晶生長的后期，由于枝晶間的相互影響，枝晶的生長形貌不再符合Ivantsov理論。晶粒在生長的過程中釋放出潛熱，潛熱使得該區(qū)域過冷度較低，導(dǎo)致主枝晶向過冷度大的區(qū)域生長，最終造成主枝晶的抑制和彎曲。由于凝固過程的溶質(zhì)再分配，溶質(zhì)富集在枝晶生長

6、的界面前沿。溶質(zhì)富集在這些區(qū)域，造成這個區(qū)域的熔點降低，從而導(dǎo)致實際過冷度的減小，使得這些區(qū)域凝固的比其他區(qū)域晚，最后形成晶界。
　　 使用提出的多元合金多晶粒生長的相場模型，以Al-Cu-Mg合金為例，模擬了多元合金等溫凝固過程中多個晶粒的生長過程。研究比較了Al-Cu合金和Al-Cu-Mg合金在相同凝固條件下微觀組織的變化。結(jié)果表明：多元合金多個晶粒共同生長時與二元合金類似，有競爭生長的現(xiàn)象，溶質(zhì)富集在枝晶生長的界面前沿等區(qū)

7、域。多元合金的各種溶質(zhì)在溶劑(基體)中的擴(kuò)散系數(shù)越大，溶質(zhì)在晶粒中的分布越均勻。定性的展現(xiàn)了孕育劑細(xì)化晶粒機制對Al-Cu-Mg晶粒的形狀和尺寸的影響、合金之間的合金成分和微觀組織的關(guān)系(Al-Cu合金vs.Al-Cu-Mg合金)。合金成分的改變并沒有十分明顯的改變枝晶的形貌，初始晶核數(shù)量的大小對枝晶形貌有很大的影響。在Al-Cu-Mg合金中Mg改變了溶質(zhì)Cu晶粒中的分布，加重了晶粒中Cu的溶質(zhì)偏析。
　　 在多元合金多晶粒生長

8、的相場模型的基礎(chǔ)上耦合溫度場，提出了一個多元合金多晶粒非等溫生長的相場模型，并對Al-Cu合金與Al-Cu-Mg合金的凝固進(jìn)行模擬，研究分析了其微觀組織形貌的變化，以及溫度場、溶質(zhì)場的分布。結(jié)果表明：在忽略溫度梯度的情況下，凝固時潛熱的釋放使凝固界面前沿的液體溫度升高，由于枝晶生長的速度要大于熱量傳遞的速度，使熱量在凝固界面前沿累積，因此造成凝固的前沿上溫度最高，后凝固的區(qū)域要比先凝固的區(qū)域溫度高。在模擬中加入了冷卻速度和外部溫度梯度，

9、外部溫度梯度隨著晶粒的生長發(fā)生變化，這是由凝固潛熱和熱量傳遞造成的。初始溫度不同，對凝固的速度有很大的影響，過冷度越大，模擬區(qū)域的固相率越大，凝固速度越快。
　　 推導(dǎo)分析了多相場共晶生長的模型，使用該模型模擬研究了CBr4-C2Cl6合金凝固過程中共晶組織的演化。結(jié)果表明：初始共晶層片和過冷度等參數(shù)選擇適當(dāng)時，共晶層片保持穩(wěn)定界面，平行向前生長。在凝固前沿由于溶質(zhì)再分配和溶質(zhì)在液相中不能及時的擴(kuò)散均勻，導(dǎo)致與理論計算的濃度值相