【摘要】：文章在前期建立的微觀元胞自動機模型的基礎上,耦合動量傳輸模型、質量傳輸模型和熱量傳輸模型,建立了考慮流體流動的宏微觀多尺度二維枝晶生長數(shù)學模型CA-FVM。并采用CA-FVM模型研究了強制對流作用下Fe-0.82C二元合金凝固過程枝晶生長規(guī)律。數(shù)值模擬表明:強制對流明顯地改變了枝晶生長規(guī)律,靠近強制對流入口處枝晶生長受抑制作用較明顯,枝晶生長較慢,遠離強制對流入口處枝晶受抑制作用較弱,枝晶生長較快。同時,隨著強制對流強度的增加,枝晶生長受熔體流動的影響更加明顯,加劇了枝晶的非對稱生長。
【圖文】：

圖1計算實例示意圖Fig．1Schematicdiagramoftwonumericalcases底部傳出，其余邊界為絕熱邊界條件。流體從計算區(qū)域左邊流入，右邊流出，底部為壁面邊界條件，頂部為對稱邊界條件。第二種情況(圖1(b))，計算區(qū)域為408μm×408μm，計算區(qū)域底部和右邊分別等距離分布8個形核質點，熱量從計算區(qū)域底部和右邊傳出，其余兩邊為絕熱邊界條件。流體從計算區(qū)域左邊流入，頂部流出，其余兩邊為壁面邊界條件。3結果與討論3．1第一種情況圖2為計算區(qū)域底部熱通量2．0MW/m2時，左側入口速度從0增加到0．005m/s對柱狀晶形貌和溶質分布的影響。從圖中可以看出，在沒有流動的定向凝固情況下，從計算區(qū)域底部形核的柱狀晶徑直向熔體內部生長，并將溶質元素向固液界面前沿排除。由于溶質元素在熔體中的擴散較慢，因此，隨著柱狀晶繼續(xù)生長，柱狀晶根部將會富集大量的溶質元素，形成枝晶間溶質偏析，這就是常說的溶質微觀偏析。同時，一次枝晶臂表面溶質元素富集將會造成固液界面失衡，從而形成二次枝晶臂。此外，沒有流動影響的柱狀晶形貌完全一樣，這是由于這4個人為設置的柱狀晶生長位置相對較遠，彼此將不存在競爭生長和相互影響，都能夠充分生長。當熔體中存在強制對流時，計算區(qū)域內溶質分布發(fā)生明顯的變化，枝晶生長存在嚴重的不對稱，計算區(qū)域底部生長的枝晶形貌相差甚遠。當左側入口流速為0．001m/s時，左側入口強制對流促使左側枝晶根部富集的溶質元素翻越生長的枝晶障礙逐漸向右側出口遷移，使得高濃度溶質區(qū)波及靠近左側生長的兩個柱狀晶，枝晶生長受到明顯的抑制作用，枝晶生長較慢。然而靠近右側出口的兩個枝晶則生長較快，這是由于枝晶生長前沿富集的溶質在強制對流的作用下被帶走，從而使得枝晶尖端溶質濃度梯度較大，枝晶生長受到明顯的促進作用。隨

圖2在相同底部熱通量2．0MW/m2和不同流體速度情況下生長200ms后柱狀晶形貌Fig．2Columnardendritesafter200msunderheatfluxof2．0MW/m2withdifferentinletvelocities圖3熱通量和入口速度分別為1．5MW/m2和0．003m/s時，不同時間下柱狀晶形貌Fig．3Morphologyofcolumnardendriteswithheatfluxof1．5MW/m2andinletvelocityof0．003m/safter50ms，75msand100ms的柱狀晶從左到右，，受強制對流影響的程度依次減輕，枝晶生長速度增加。且冷卻強度越大，靠近強制對流入口處枝晶生長受抑制影響越大，遠離強制對流入口處枝晶生長受抑制越校3．2第二種情況圖5為第二種計算情況下，底部和右側熱通量為1．5MW/m2，強制對流速度從0增加到0．005m/s，枝晶生長100ms后的形貌。同時，為了清晰地顯示計算區(qū)域內流場，水平和豎直方向每隔10個節(jié)點畫一個矢量。從圖中可以看出，在無熔體流動狀態(tài)下，計算區(qū)域底部和右側的枝晶均垂直于區(qū)域邊界，沿熱流相反方向朝熔體中心生長。底部和右側生長的柱狀晶在正方形計算區(qū)域對角線處相遇，然后停止生長。同時，枝晶生長過程中排除的溶質元素富集在枝晶干根部，在枝晶間形成富含溶質區(qū)域。生長過程中排除的溶質元素富集在枝晶臂表面，使得固液界面失衡，產(chǎn)生二次枝晶臂。最終，計算區(qū)域內形成沿左斜對角線對稱分布的枝晶形貌和溶質分布圖。當強制對流存在時，強制對流從計算區(qū)域左側進入，頂部離開，枝晶臂間形成渦流。枝晶生長過程中排除的溶質元素在強制對流的作用下向出口遷徙，從而在靠近強制對流入口處枝晶生長前沿形成高濃度溶質區(qū)域，抑制柱狀晶生長。然而，在靠近流體出口處，枝晶生長前沿排除的溶質元素被強制對流帶走，枝晶生長前沿生長速率增加。隨著強制對流速度的增加，流體入口處高濃度溶質區(qū)域擴大，
【作者單位】： 東北大學材料與冶金學院;鞍鋼集團釩鈦(鋼鐵)研究院;
【基金】：教育部博士點新教師基金(20130042120042) 國家自然科學基金資助項目(51404062)~~
【分類號】：TG111.4

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 王懷志;張殿喜;王智平;馮力;;對流對枝晶生長影響的數(shù)值模擬研究進展[J];材料導報;2009年S1期

2 朱鳴芳,戴挺,李成允,洪俊杓;對流作用下枝晶生長行為的數(shù)值模擬[J];中國科學E輯:工程科學 材料科學;2005年07期

3 楊朝蓉;孫東科;潘詩琰;戴挺;朱鳴芳;;CA-LBM模型模擬自然對流作用下的枝晶生長[J];金屬學報;2009年01期

【共引文獻】

相關期刊論文 前10條

1 王金龍;王福明;李長榮;張炯明;;易切削鋼9SMn28凝固過程的CAFE法模擬[J];北京科技大學學報;2010年03期

2 王懷志;張殿喜;王智平;馮力;;對流對枝晶生長影響的數(shù)值模擬研究進展[J];材料導報;2009年S1期

3 趙大慶;馮妍卉;張欣欣;;合金枝晶生長及微細界面熱質傳遞模擬[J];工業(yè)加熱;2008年01期

4 陳守東;陳敬超;彭平;;基于一種改進CA模型模擬雙輥連續(xù)鑄軋純鋁微觀組織[J];材料科學與工藝;2012年06期

5 徐東;朱苗勇;祭程;唐正友;;SCM435鋼大方坯凝固過程組織的模擬[J];材料科學與工藝;2012年06期

6 熊光耀;余夢;麻春英;趙龍志;;激光合金化中SiC顆粒對鎂合金熱影響區(qū)晶粒生長的CA模擬研究[J];功能材料;2013年01期

7 李繼紅;汪強;吳偉剛;張敏;;Fe-C二元合金凝固過程枝晶偏析的數(shù)值模擬研究[J];材料導報;2013年12期

8 蘭鵬;孫海波;李陽;張家泉;;微觀組織參數(shù)及工藝條件對430不銹鋼凝固顯微結構的影響[J];北京科技大學學報;2014年04期

9 王智平;王喜君;馮力;朱昶勝;路陽;;基于LBM算法的強迫對流合金枝晶生長相場法模擬[J];蘭州理工大學學報;2014年02期

10 路陽;安靈敏;王智平;馮力;朱昶勝;張辛健;;強迫層流環(huán)境下多晶粒生長的相場法模擬[J];蘭州理工大學學報;2014年03期

相關會議論文 前5條

1 王金龍;王福明;張炯明;任嵬;龔雅林;;CAFE模型機理研究及應用[A];第五屆中國CAE工程分析技術年會論文集[C];2009年

2 劉正東;唐廣波;干勇;;熱軋組織性能預報技術在中國:回顧與展望[A];2009熱軋鋼材組織性能預報研究與應用學術研討會文集[C];2009年

3 劉正東;唐廣波;干勇;;熱軋組織性能預報技術的回顧與展望[A];2010年全國軋鋼生產(chǎn)技術會議文集[C];2010年

4 王明家;顧濤;李U

本文編號：2528319