本文關鍵詞：基于相場法的二元合金凝固過程三維模擬及研究

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【摘要】：凝固是一個宏微觀均極為復雜的過程,這其中包含了熱量的傳遞,溶質(zhì)的傳輸,結晶潛熱的釋放,也包括了微觀上形核和晶粒的長大,枝晶之間的競爭生長和溶質(zhì)的再分配等過程。相場法采用擴散界面模型,避免了跟蹤固/液界面,在凝固模擬中獲得了很大的發(fā)展。本文采用了包含反溶質(zhì)截留系數(shù)的Karma薄界面模型,對Fe-1.0wt.%C合金進行了等溫凝固過程模擬,并探討了不同參數(shù)對枝晶形貌、溶質(zhì)偏析、枝晶生長的影響規(guī)律,結論如下:(1)采用相場法模擬了Fe-1.0wt.%C二元合金等溫凝固枝晶生長過程,獲得了具有二次分支的枝晶形貌,獲得了枝晶從擇優(yōu)生長到發(fā)生重熔熟化的整個階段。完整呈現(xiàn)了枝晶的生長過程。在計算過程中加入了溶質(zhì)截留影響,考慮到了在存在溶質(zhì)截留影響條件下枝晶內(nèi)部溶質(zhì)的分布情況,主軸晶中心濃度最低,二次枝晶臂間溶質(zhì)出現(xiàn)了富集,同時模型忽略了溶質(zhì)梯度項對溶質(zhì)分布的影響,使得界面推進速度隨時間的波動特別劇烈,界面推進速度隨時間的波動又引發(fā)界面前沿溶質(zhì)分配系數(shù)k相應地波動,在枝晶內(nèi)部溶質(zhì)也出現(xiàn)了分布不均的現(xiàn)象。(2)枝晶生長過程中,尖端生長速度經(jīng)歷了一個由極大值逐漸降低直至平穩(wěn)的過程,尖端半徑則呈現(xiàn)了逐漸增大然后基本平穩(wěn)的過程,說明隨著枝晶生長,尖端速度是逐漸降低,尖端半徑逐漸增大。(3)當過飽和度小于0.55時,過飽和度和過冷度對枝晶生長產(chǎn)生的影響相同,當過飽和度大于0.55后,枝晶形貌變得不規(guī)則。在過飽和度增大的過程中,凝固出現(xiàn)了枝晶的生長由以溶質(zhì)擴散為主逐漸轉變?yōu)閯恿W因素控制為主的變化。當過飽和度小于0.55時,隨著過飽和度的增大枝晶偏析變嚴重,而當過飽和度大于0.55后,隨著過飽和度繼續(xù)增大偏析現(xiàn)象減輕。因此在實際生產(chǎn)中可以通過加大過飽和度來減輕偏析。(4)各向異性參數(shù)對凝固過程起著非常重要的作用,各向異性系數(shù)促進枝晶的生長,且隨著各向異性參數(shù)的增大,擾動更容易被放大,晶粒形狀可能變得更復雜。(5)噪聲不會對枝晶的生長起到促進作用,能夠使枝晶側向出現(xiàn)不穩(wěn)定,這種不穩(wěn)定使得固液界面的能量出現(xiàn)起伏變化,界面出現(xiàn)擾動。界面的擾動使得溶質(zhì)場的分布出現(xiàn)變化,最終影響到了二次枝晶的出現(xiàn)及生長。
【關鍵詞】：相場法 枝晶生長 Fe-C合金 枝晶形貌
【學位授予單位】：中北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG111.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-26
• 1.1 背景及意義11-12
• 1.2 晶體生長理論12-16
• 1.2.1 形核理論12-14
• 1.2.2 枝晶生長理論14-15
• 1.2.3 微觀偏析效應15-16
• 1.3 微觀組織數(shù)值模擬方法介紹16-18
• 1.3.1 確定性方法16-17
• 1.3.2 隨機性方法17-18
• 1.4 相場法理論及其研究現(xiàn)狀18-24
• 1.4.1 相場法基本原理18-19
• 1.4.2 相場模型的建立19-20
• 1.4.3 相場方法在凝固過程模擬發(fā)展現(xiàn)狀20-24
• 1.5 本領域主要存在的問題24-25
• 1.6 本文主要研究工作25-26
• 2 二元合金相場法及計算模型26-42
• 2.1 界面模型26-29
• 2.1.1 尖銳界面模型26-28
• 2.1.2 擴散界面模型28-29
• 2.2 相場基本原理29-33
• 2.2.1 Landau理論基本原理29
• 2.2.2 Ginzburg-Landau理論29
• 2.2.3 基于自由能泛函的相場模型29-30
• 2.2.4 基于熵函數(shù)的相場模型30-33
• 2.3 建立相場模型33-42
• 2.3.1 純物質(zhì)相場模型33-34
• 2.3.2 二元合金相場模型34-36
• 2.3.3 各向異性模型36-41
• 2.3.4 噪聲41-42
• 3 模型的數(shù)值計算及程序簡介42-49
• 3.1 初始條件和邊界條件42
• 3.2 控制方程的離散42-43
• 3.2.1 時間離散42
• 3.2.2 空間離散42-43
• 3.3 自適應網(wǎng)格劃分算法43-46
• 3.4 程序的實現(xiàn)及后處理46-49
• 3.4.1 基于Paraview的實體顯示46-47
• 3.4.2 基于Origin的數(shù)據(jù)處理47
• 3.4.3 程序的實現(xiàn)47-49
• 4 Fe-C合金相場法模擬49-59
• 4.1 引言49
• 4.2 相關理論及控制方程49-50
• 4.3 計算材料物性參數(shù)的確定50
• 4.4 初始條件50-51
• 4.5 模擬結果與分析51-57
• 4.5.1 枝晶生長過程分析51-52
• 4.5.2 枝晶濃度分析52-56
• 4.5.3 尖端半徑與生長速度56-57
• 4.6 本章結論57-59
• 5 Fe-C合金等溫凝固枝晶生長影響因素分析59-68
• 5.1 引言59
• 5.2 各向異性對枝晶生長的影響59-61
• 5.3 過飽和度對枝晶生長的影響61-66
• 5.3.1 概念引入61-62
• 5.3.2 枝晶形貌分析62-64
• 5.3.3 枝晶生長參數(shù)的分析64-65
• 5.3.4 溶質(zhì)偏析分析65-66
• 5.4 噪聲對枝晶形貌的影響66
• 5.5 本章結論66-68
• 6 結論68-69
• 參考文獻69-76
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及所取得的研究成果76-77
• 攻讀碩士學位期間參與的科研項目77-78
• 致謝78-79

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本文編號：714382