金属凝固过程微观组织形成的相场法模拟研究

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1、两北．1‘业大学硕士学位论文摘要相场法是凝固微观组织模拟的有效方法，本文利用相场法微观组织数值模拟技术，基于自由能泛函相继推导了纯金属相场模型、二元单相合金的等温凝固相场模型和非等温凝固相场模型。相场模型中考虑了界面的各向异性，并引入了诱发侧向分支的扰动项。使用有限差分均匀网格剖分技术将推导出的相场模型进行离散。采用显式差分算法(Euler算法)对相场模型中的相场控制方程和溶质场控制方程进行离散。为了避免时间步长的限制，提高计算效率，采用交替方向隐式差分算法(ADI算法)对温度场控制方程进行离散。采用ⅥsualFonraIl6．O为编程语言在windo

2、wsxP下编制了二元单相合金枝晶生长的模拟计算程序，对丁二腈一5at％水合金的凝固微观组织的形成过程进行了数值模拟，并利用ArrayVisualizer软件实现了模拟结果的可视化。定量研究了各向异性系数y、热扰动强度口和空间剖分步长缸对枝晶生长行为的影响。结果表明，各向异性系数y为0或者取值较小时，等轴枝晶形貌就不会产生。各向异性系数y取值过大则会引发枝晶变异。当各向异性系数y的取值在0．02～0．05之间时，模拟结果与实际情况比较吻合；对不同热扰动强度口下的枝晶演变过程进行模拟，结果表明1％的热扰动强度能更好的促进枝晶侧向分支的生长；空间步长缸对于模

3、拟结果的影响较为显著，当空间剖分步长缸的取值在O．2∥～O．8∥之间时，模拟结果与实验结果比较接近。在合理选择以上关键参数的基础上，分别对等温凝固条件下和非等温凝固条件下的丁二腈一5at％水合金的凝固过程进行了数值模拟，直观再现了枝晶生长过程中侧向分支的竞争生长、熟化过程和溶质偏析。着重研究了在非等温凝固条件-：下，过冷度△口以及反溶质截流项，。对过冷合金熔体凝固过程的影响。结果表明，低过冷度下，等轴晶周围厚的热扩散层抑制了其侧向分支的生长，呈现无侧向分支的形貌，而在高过冷度下薄的热扩散层有利于侧向分支的生长，等轴晶呈现束_：状侧向分支的形貌；加入反溶

4、质截留项J。，后，就相当于人为的增大了实际界面厚两北．【‘业太学硕士学位论文度，溶质很难迅速穿过比较厚的界面层而到达液相被充分扩散，从而造成溶质在固相的堆积。关键词相场法，数值模拟，微观组织，枝晶生长lIpq北I业人学硕L学位论文AbstractPhase一氍e】dmethodistheefrectivemethodtosimulatemicrostructureeVolutionduringsolidifjcation．Basedonf}eeenergyfhnction，thephase一：fieldmodelofpuremetal，binarysi

5、n91e—phasea¨oyunderisothermalandnon。isotheHnalconditionarederjVedrespecl=ive】y．Theinterfaceanisotropyistakenintoaccountandatermofnoisetoproducetheside—branchesisintroducedintothephase-fieklmodeIs．Thegovemingequationsofphase一6eldmodelsarediscretizedusingtheFiniteDiffbrencemet

6、10d

7、onunifbnn鲈ids．Thephase-fieldgovemingequationandthesolutegoVemingequationarebomnumericallysolvedusingExplicitFiniteDifkrencemethod(Eulermethod)．Thet}lermalgovemingequationisnumericallysolVedusinganA1tematingDirectImplicitmethod(ADImethod)，whichisunconditiona儿ystab】e，irrespectiveo

8、fthetimestepemployed．Thecomputationalprogramtosimulatesuccinonitrile．5a十％wateraJloysolidificationisprogr锄medbyusingvisualFortran6．OunderWindowsXPcondition．Themicrostructuresimulationresultisvisiblebythe印plicationofArrayⅥsualizcrso胁are．nlejnnuenceofanisotropycoemcienty，noiseinten

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