合金枝晶生長(zhǎng)相場(chǎng)法模擬的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、微觀組織數(shù)值模擬對(duì)金屬材料的發(fā)展和應(yīng)用有著重要意義，也是計(jì)算機(jī)應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一。微觀組織數(shù)值模擬的方法主要有：確定性方法、隨機(jī)方法及相場(chǎng)法。其中相場(chǎng)法是一種用于描述在非平衡狀態(tài)中復(fù)雜相界面演變強(qiáng)有力的工具，不需要跟蹤復(fù)雜固液界面，就可實(shí)現(xiàn)模擬金屬凝固過程中枝晶生長(zhǎng)的復(fù)雜形貌，是目前凝固組織模擬的國際前沿研究領(lǐng)域。
　　本文基于金茲堡－朗道相變理論，分別建立了一個(gè)以熵增原理的二元合金相場(chǎng)模型和自由能減小原理的純物

2、質(zhì)相場(chǎng)模型，并在薄界面限制條件下，建立了相場(chǎng)參數(shù)與材料熱物性參數(shù)的關(guān)系；采用基于均勻網(wǎng)格的有限差分離散控制方程，網(wǎng)格剖分采用了雙重網(wǎng)格法。數(shù)值計(jì)算時(shí)，為了避免時(shí)間步長(zhǎng)的限制，提高計(jì)算效率，相場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)控制方程采用了用顯式算法，即向前Euler法；溫度控制方程則采用交替方向隱式法（ADI算法）。
　　分析了各向異性對(duì)平衡形貌的影響，發(fā)現(xiàn)在界面各向異性系數(shù)變化中，這之間有一臨界值，二維的臨界值為0.067；建立了引入各向異性的二維相場(chǎng)

3、模型，并對(duì)二維各向異性項(xiàng)進(jìn)行了離散；分別對(duì)二維界面能各向異性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果基本相符；在大于臨界值時(shí)，相場(chǎng)模型模擬出的結(jié)果出現(xiàn)了失真。
　　在相場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了噪聲的數(shù)學(xué)模型，給出了相場(chǎng)噪聲和溫度場(chǎng)噪聲的數(shù)學(xué)方程；從理論上分析了相場(chǎng)模型中噪聲的引入，提出了三種噪聲引入的方法；對(duì)噪聲產(chǎn)生側(cè)向分支進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)熱噪聲能夠引發(fā)枝晶側(cè)向不穩(wěn)定,是側(cè)向分支形成的主要起因。
　　模擬了不同過冷度下純鎳凝