本文關(guān)鍵詞：二元合金定向凝固晶粒生長的三維相場模擬研究

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【摘要】：定向凝固理論在凝固科學(xué)中占有核心及前沿的重要地位,奠定了現(xiàn)代凝固理論的基礎(chǔ),其伴隨而生的定向凝固技術(shù)已成為材料制備與加工領(lǐng)域的重要學(xué)科方向和非�；钴S的技術(shù)領(lǐng)域。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下使用實驗方法研究定向凝固過程中界面形態(tài)的變化規(guī)律還存在困難,而數(shù)值模擬方法在處理微觀組織方面具有其獨特的優(yōu)勢。特別是相場法,不需要追蹤復(fù)雜界面,是國內(nèi)外研究微觀組織的熱點方法。本文基于KKS模型,采用枝晶固-液界面遷移方向法向量為自變量表述的相場控制函數(shù)和枝晶生長方向與最優(yōu)生長方向之間的夾角為自變量表述的界面自由能各向異性控制函數(shù),耦合溫度場、溶質(zhì)場,發(fā)展了二元合金定向凝固的三維相場模型。以Al-Cu合金為例,利用新建立的相場模型對定向凝固過程進行數(shù)值模擬,再現(xiàn)了凝固過程中固-液界面形態(tài)從平界面到胞晶界面生成的演化過程,研究了固-液界面前沿的變化規(guī)律和胞晶粗化機制,分析了不同的過冷度對界面演化的影響,討論了不同取向晶粒的競爭生長。模擬結(jié)果表明:在定向凝固過程中,胞晶會逐漸粗化,發(fā)生熔化和合并現(xiàn)象,但胞晶并不會完全發(fā)生熔化或者合并現(xiàn)象,僅發(fā)生局部熔化和合并,胞晶的粗化是熔化和合并共同作用的結(jié)果;在定向凝固過程中,過冷度越小,固-液界面形態(tài)易向平界面發(fā)展;不同取向晶粒的生長過程中存在兩種不同的競爭機制,第一種多發(fā)生在二次枝晶不發(fā)達的時候,定向傾斜晶粒受周圍溶質(zhì)、溫度的影響,傾斜角度變小,向垂直方向偏轉(zhuǎn)。第二種多發(fā)生在二次枝晶發(fā)達的時候,定向傾斜枝晶受到周圍晶粒二次枝晶的阻擋逐漸被淘汰�？紤]到計算量的限制,三維相場模型只能進行小區(qū)域的凝固組織演化模擬,為了擴大模擬的計算區(qū)域,提出了一種新方法,分區(qū)域順序計算技術(shù),就是將計算區(qū)域分割成多個小區(qū)域,然后按順序依次計算。為了對這種技術(shù)進行驗證,將分區(qū)域順序計算與普通數(shù)值計算進行對比分析。結(jié)果表明:分區(qū)域順序計算技術(shù)可以減少單次計算的存貯量,而且區(qū)域與區(qū)域間凝固特征的傳遞誤差對晶粒的生長影響不大,這種技術(shù)具有一定的準確性和可靠性;采用這種技術(shù)可突破計算機本身節(jié)點的極限計算量,實現(xiàn)更大區(qū)域的相場法數(shù)值模擬。
【關(guān)鍵詞】：定向凝固 二元合金 三維相場模擬 胞晶粗化 分區(qū)域順序計算技術(shù)
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG111.4
【目錄】：

• 摘要8-9
• ABSTRACT9-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 課題意義11-12
• 1.2 微觀組織的模擬方法12-16
• 1.2.1 決定論法12-13
• 1.2.2 隨機論方法13-14
• 1.2.3 相場法14-16
• 1.3 相場模型發(fā)展概述16-18
• 1.3.1 純物質(zhì)相場模型16
• 1.3.2 二元單相合金凝固相場模型16-17
• 1.3.3 二元合金的多相場模型17
• 1.3.4 固態(tài)相變相場模型17-18
• 1.4 定向凝固相場法模擬研究現(xiàn)狀18-20
• 1.4.1 國外研究現(xiàn)狀18-19
• 1.4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀19-20
• 1.5 本文研究內(nèi)容20-21
• 第2章 液態(tài)金屬結(jié)晶的基礎(chǔ)理論21-28
• 2.1 液態(tài)金屬結(jié)晶的驅(qū)動力21-22
• 2.2 液態(tài)金屬的形核理論22-23
• 2.3 固-液界面結(jié)構(gòu)23
• 2.4 晶體的生長方式23-24
• 2.5 固-液界面前沿的成分變化24-26
• 2.5.1 固-液界面前沿的溫度分布24-25
• 2.5.2 結(jié)晶過程中溶質(zhì)分布25-26
• 2.5.3 固-液界面前沿熔體中的過冷狀態(tài)26
• 2.6 固-液界面的穩(wěn)定性26-27
• 2.7 本章小結(jié)27-28
• 第3章 定向凝固三維相場模型與數(shù)值計算方法28-44
• 3.1 相場模型的基礎(chǔ)理論28-29
• 3.1.1 朗道理論28
• 3.1.2 金茲堡-朗道理論28-29
• 3.2 界面模型29-30
• 3.3 相場模型的建立30-37
• 3.3.1 相場控制方程30-31
• 3.3.2 二元合金相場模型31-35
• 3.3.3 界面能各向異性函數(shù)方程35-37
• 3.4 相場模型的可行性驗證37-38
• 3.5 相場模型的數(shù)值求解38-41
• 3.5.1 數(shù)值求解的方法38-39
• 3.5.2 方程的離散39-41
• 3.6 程序?qū)崿F(xiàn)及可視化處理41-43
• 3.6.1 模擬結(jié)果可視化41-42
• 3.6.2 模擬程序的編制42-43
• 3.7 本章小結(jié)43-44
• 第4章 二元合金定向凝固晶粒生長的相場模擬44-52
• 4.1 數(shù)值計算44-45
• 4.1.1 合金材料的物性參數(shù)44
• 4.1.2 初始條件和邊界條件44-45
• 4.2 模擬結(jié)果分析45-49
• 4.2.1 固-液界面的形態(tài)演化45-46
• 4.2.2 胞晶的粗化過程46-47
• 4.2.3 過冷度對界面形態(tài)的影響47-49
• 4.3 不同取向晶粒的競爭生長49-51
• 4.3.1 不同取向晶粒生長的模擬結(jié)果49-50
• 4.3.2 不同角度大小晶粒生長的模擬結(jié)果50-51
• 4.4 本章小結(jié)51-52
• 第5章 擴大計算區(qū)域的一種新方法52-57
• 5.1 數(shù)值計算52-53
• 5.1.1 網(wǎng)格劃分與計算模型52-53
• 5.1.2 數(shù)值計算53
• 5.2 數(shù)值計算結(jié)果與討論53-56
• 5.2.1 模擬結(jié)果53-55
• 5.2.2 對比分析55
• 5.2.3 大區(qū)域模擬結(jié)果55-56
• 5.3 本章小結(jié)56-57
• 結(jié)論57-59
• 參考文獻59-64
• 致謝64-65
• 附錄 攻讀碩士期間所發(fā)表的論文65

【參考文獻】

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本文編號：1073197