二元合金非等溫凝固枝晶生長的相場法模擬.pdf

1、相場法不需要跟蹤復雜固/液界面，就可模擬金屬凝固過程中枝晶生長的復雜形貌，最終獲得微觀組織形成規(guī)律，從而達到預測和控制凝固微觀組織與性能的目的，并可有效地減少在材料優(yōu)化和工藝設計等方面所必須進行的大量實驗，現(xiàn)已成為凝固組織模擬的國際前沿研究領(lǐng)域之一，對金屬材料凝固模擬的發(fā)展和應用有著十分重要的意義。 等溫相場模型簡化了相場控制方程，忽略了鑄件凝固時潛熱的釋放，本文在根據(jù)已有的相場等溫模型的基礎(chǔ)之上，考慮了鑄件凝固中潛熱的釋放，推

2、導建立了二元合金非等溫凝固枝晶生長的相場控制模型，并有效的將相場與溫度場、濃度場耦合，比較真實的對凝固過程進行模擬，再現(xiàn)了凝固過程，并利用相關(guān)軟件及有效方法對模擬結(jié)果進行了相關(guān)的分析與討論。同時，在程序的實現(xiàn)中，分別對相場方程，溶質(zhì)場方程采用顯式差分和對溫度場方程采用顯隱式差分(ADI)格式進行離散，采用C語言完成相關(guān)程序的編制，成功克服了熱擴散系數(shù)和溶質(zhì)擴散率數(shù)量級的差異所造成計算量大的困難。 通過對Ni-Cu二元合金等溫模擬

3、與非等溫模擬的對比發(fā)現(xiàn)：結(jié)晶潛熱的釋放，使固相溫度比液相中高，而且在固相內(nèi)二次枝晶生長較為集中的區(qū)域溫度最高，發(fā)生明顯的重熔現(xiàn)象。潛熱的釋放使液相中的過冷度降低，同一凝固時間非等溫凝固時的固相率相對較小，并隨著時間變化固相率的差距也在增大，枝晶沒有等溫凝固時的發(fā)達，初生枝晶長度明顯比等溫凝固時的短。非等溫凝固考慮了凝固時潛熱的釋放，枝晶尖端溫度升高，較高的溫度利于溶質(zhì)的擴散，所以非等溫條件下的固/液界面溶質(zhì)濃度較低，凝固固相溶質(zhì)濃度較高