Fe-C等温凝固中的枝晶生长的溶质俘获相场法模拟.pdf

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1、2016年第5期铸造设备与工艺垫!鱼生!Q旦!Q旦堕望堡!垦Q旦!里丛垦盟!垒盟旦堡鱼旦堕Q垦Q!塑Q璺!：兰Q!鱼堂·应用研究·doi：10．16666巧．cnki．issnl004—6178．2016．05．015Fe—C等温凝固中的枝晶生长的溶质俘获相场法模拟张超彦-．秋艳-。佟乐乐z(1．徐州工业职业技术学院，江苏徐州221100；2冲北大学材料学院，山西太原030051)摘要：采用模拟相场法模拟了C的质量分数为l％的铁碳合金等温凝固过程中枝晶生长和溶质分布及溶质俘获对其的影响，研究枝晶尖端半

2、径大小和生长速度之间的关系。结果表明，初始枝晶的溶质浓度最低，二次枝晶之间的区域溶质浓度最高。枝晶生长包括生长和成熟阶段，枝晶的尖端半径大小与生长速度成反比。受溶质俘获的影响，枝晶上的溶质浓度有波动。关键词：相场法；枝晶生长；溶质俘获中图分类号：7rG244文献标识码：A文章编号：文章编号：1674—6694(2016)05-0047—04SimlllationofDendriteGmwmofFe一1．Owt．％CiIlIsothe珊alSou衄翰ti伽稍thSoluteTmppingbyPha∞Fi

3、eldMethodZZl：ft^713C，I‘m一’懈以I，l易rUl么以1，Z℃l?VGj■一跆2(1．x磁buco如伊矿胁缸t，谢死c^，lo研，x￡‘z肠u，Jz册伊u221100，吼i加；2co如伊旷肘疵砌bSc如，lce∞dE，画船e^愕，Ⅳo砒池西e倦蚵矿吼i舾，蹦弘觎S施溉i030051，仇i加)A姗t：nesimulationusedt}lePha鸵FieldMetllodt0calculatetIIeden拍tegrowthofFe—Cinisotlle册alsolidificati

4、on，studied山eI．elationshipbemeentipradius明dtipveloci哆，simulatedt}lesolutedistribution粕dtIlee雎cton山edistributionofsolutetrapping．TheresultsuggeststIlat山eprimarystalkhastIlelowestconcenn蚀tion，andtIlere舀onsbetlⅣeenthesecondary蛐saret}Iehighest．Theden出tegrowt

5、llincludegmwiIlgandripeniIIgstages．ThetipIadius蚰dvelocityareininversepmportion．Becauseoft

6、lesolutetrapping，tlleconcen舰tionint}leden矗tesh鹊anuctuation．Key啪rds：Ph髂eFieldMe岫d，dendrite州h，鲫lute昀ppingFe—C合金是广泛使用的工程材料，其在高温下的微观组织对力学性能有很强的影响，目前在高温下直接观察凝固过程比较困难【ll

7、。随着计算机科学和凝固理论的发展，通过计算机的计算来模拟凝固过程已成为一种有效的材料模拟方法。相场法模拟基于Ginzburg—Landau理论，通常被用来模拟枝晶生长【2】。相场法是解决复杂凝固过程的一种有效方式，目前已得到广泛的应用口】。Ⅺm在KKs模型下模拟了Fe—C合金在等温条件下的枝晶生长14】。WajlliQiu阁、Yan’eNiu用相场模型研究过冷度、各向异性、界面宽度和方向的选择对Fe—C合金的凝固过程的影响【q。YuXie通过K姗la相场模型研究了Fe—C合金的定向凝固同。在本次研究中

8、，采用由Ohno和Matsuura开发收稿日期：2016—05一18作者简介：张超彦(1981一)，男，河南邓州人，讲师，硕士，研究方向金属材料学。的相场模型进行模拟嘲，该模型是基于K姗a的固相，液相薄界面的相场模型阻姗，引入溶质俘获，使其能较好地模拟枝晶生长过程和溶质浓度分布。本文模拟了C的质量分数为1％的Fe—C合金在等温凝固过程中的枝晶生长和溶质浓度。1计算模型与参数1．1相场模型相场法引入一个连续变量西作为标识相翻，本次模拟中，变量西在固相中定义为+1，液相中定义为一1，中间值为固液两相界面I

9、¨】。1．1．1相场控制方程丁警=c￡，勺2咖+(咖一咖3)一南(1一坩(产1)d￡～l一丘。，(1)丁特征动力学时间常数；A无量纲参数，A=墨}，d0a。=0．8839，∞界面宽度参数；dD毛细长度，凶=一·47·0ct．2016№5铸造设备与工艺2叭6年第5期瓦搦，吉布斯一汤姆森汤系数，me液相线斜率，后。平衡分配系数，凹等温温度下的液相浓度。1．1．2浓度控制方程溶质俘获参数：扣(批(№)醌“誓黯(2)a(西)：—L2、／2浓度控制方程：鲁=V怕(