枝晶是金屬凝固組織中典型的結(jié)構(gòu),枝晶的界面形態(tài)和穩(wěn)態(tài)選擇直接決定了凝固的組織特征和材料的最終性能。隨著計算材料學(xué)的發(fā)展,數(shù)值模擬結(jié)合實驗研究成為目前材料研究的前沿領(lǐng)域。其中相場法作為一種描述復(fù)雜相界面演化的強有力工具,在模擬金屬凝固過程中枝晶復(fù)雜的形貌演化方面得到廣泛的應(yīng)用。本文采用包含固相擴散系數(shù)的三維相場模型對Al-Si合金枝晶生長過程進行了以下的研究。1.采用相場法模擬了不同相場模型參數(shù)下枝晶的生長過程并確定了合適的相場模型參數(shù),研究結(jié)果表明:界面寬度會改變枝晶尖端的穩(wěn)態(tài)行為,馳豫時間對枝晶的擇優(yōu)取向以及二次枝晶的生長具有重要影響。2.模擬了不同界面寬度、過冷度、過飽和度和熱噪聲幅值下等軸枝晶的演化過程,研究結(jié)果表明:界面寬度會影響枝晶形貌的復(fù)雜度和枝晶尖端的溶質(zhì)濃度;過冷度對枝晶的生長速度和二次枝晶的發(fā)達程度具有重要影響;過飽和度會改變微觀偏析程度和枝晶尖端速度;熱噪聲幅值會引發(fā)枝晶主干兩側(cè)二次枝晶的不對稱生長,而枝晶尖端形貌變化較小。3.模擬了定向凝固過程中不同主枝晶間距、推進速度、溫度梯度和熱噪聲幅值下枝晶側(cè)枝的演化過程,研究發(fā)現(xiàn):主枝晶間距會影響二次枝晶的數(shù)量和發(fā)達程度以... 

【文章來源】：中北大學(xué)山西省

【文章頁數(shù)】：75 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

不同各向異性參數(shù)下等軸晶的枝晶取向轉(zhuǎn)變[22]

對流對過冷熔體中自由枝晶的三維形貌的影響，結(jié)果表明對流會改變遠離枝晶尖端傳輸和枝晶的對稱形貌，使得上游枝晶尖端和側(cè)枝生長速度比下游的快。定向凝固是一種研究晶體生長行為的最直接的方法，準確地獲取定向凝固過程的梯度和抽拉速度，有助于深入了解金屬材料的凝固特性。相場法在模擬定向凝固過的組織演化方面取得了較多的進展[50]。1997 年，Conti[51]通過建立包含溶質(zhì)梯度的模型，研究了初始溫度、溫度梯度、濃度梯度對枝晶形貌和溶質(zhì)分布的影響。隨oettinger 等人[52]采用凍結(jié)溫度條件下的定向凝固相場模型模擬了 Ni-Cu 合金在絕對平界面的生長條件下的界面形貌和溶質(zhì)偏析，并揭示了初始平界面向胞晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化力學(xué)過程。Tourret 等人[53]采用 Karma 相場模型研究了定向凝固過程中枝晶的競爭現(xiàn)象，研究表明不利取向的邊側(cè)枝生長會受到抑制并在實驗中得到了驗證，如圖 1示。Beckermann 等人[54]使用相場法模擬了定向凝固條件下等軸晶的轉(zhuǎn)變過程，并了溫度梯度，抽拉速度等定向凝固參數(shù)對等軸晶轉(zhuǎn)變過程的影響。

中北大學(xué)學(xué)位論文近年來，由于計算能力的穩(wěn)步提升以及圖形處理單元（GPU）多核架構(gòu)上大規(guī)模代碼的實現(xiàn)，相場法能夠更為準確地模擬凝固過程中的微觀組織演化。Bergeon 等通過定量相場模型研究了振蕩模式對枝晶生長過程的影響。Karma 等人[56]采用粗晶網(wǎng)絡(luò)法（DNN）模擬了枝晶的演化過程，結(jié)果表明這種方法能夠在尺度上很好地連場模型和晶粒結(jié)構(gòu)模型，從而為晶內(nèi)、晶間相互作用力的定量建模開辟了新途徑kaki 等人[57]采用高性能的并行算法模擬了合金凝固過程中大尺度枝晶的三維形貌表明在單向凝固過程中仍會存在大量不利取向的枝晶，如圖 1.4 所示。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Phase-field simulation for the evolution of solid/liquid interface front in directional solidification process[J]. Yuhong Zhao,Bing Zhang,Hua Hou,Weipeng Chen,Meng Wang.  Journal of Materials Science & Technology. 2019(06)
[2]合金凝固枝晶粗化的研究進展[J]. 朱鳴芳,邢麗科,方輝,張慶宇,湯倩玉,潘詩琰.  金屬學(xué)報. 2018(05)
[3]Al-Zn合金等軸晶生長的三維相場法模擬[J]. 王鴻,趙宇宏,張冰,陳偉鵬,侯華.  鑄造技術(shù). 2018(04)
[4]定向凝固微觀組織相場法模擬的研究進展[J]. 李勇,李煥,趙亞茹,周雅婷.  材料導(dǎo)報. 2016(09)
[5]界面潤濕性及固相體積分數(shù)對顆粒粗化動力學(xué)影響的相場法研究[J]. 王陶,李俊杰,王錦程.  物理學(xué)報. 2013(10)
[6]橫向限制下凝固微觀組織演化的相場法模擬[J]. 杜立飛,張蓉,邢輝,張利民,張洋,劉林.  物理學(xué)報. 2013(10)
[7]相場法模擬多元合金過冷熔體中的枝晶生長[J]. 龍文元,蔡啟舟,魏伯康,陳立亮.  物理學(xué)報. 2006(03)
[8]二元合金微觀偏析的相場法數(shù)值模擬[J]. 朱昌盛,王智平,荊濤,肖榮振.  物理學(xué)報. 2006(03)
[9]Phase-field simulation of dendritic sidebranching induced by thermal noise[J]. 朱昌盛,王智平,荊濤,柳百成.  Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2004(06)

博士論文
[1]Fe-B和Nd-Fe-B磁性合金快速凝固過程微觀組織演化相場模擬[D]. 伍雪花.華南理工大學(xué) 2017
[2]金屬材料微觀缺陷結(jié)構(gòu)演化的機理研究[D]. 黃禮琳.廣西大學(xué) 2017
[3]Al-Cu合金焊接熔池凝固枝晶動態(tài)生長機制的相場研究[D]. 鄭文健.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2014
[4]復(fù)雜條件下金屬凝固過程的相場方法模擬研究[D]. 杜立飛.西北工業(yè)大學(xué) 2014
[5]α-Mg枝晶凝固微觀組織三維形貌研究[D]. 汪明月.清華大學(xué) 2011
[6]強制對流影響凝固微觀組織的相場法研究[D]. 袁訓(xùn)鋒.蘭州理工大學(xué) 2011
[7]鋁合金凝固過程枝晶生長的相場法數(shù)值模擬[D]. 龍文元.華中科技大學(xué) 2004

碩士論文
[1]Fe-C合金枝晶生長過程的相場法模擬研究[D]. 康永生.中北大學(xué) 2017



本文編號：2992445