發(fā)布時間：2017-09-05 23:22

  本文關(guān)鍵詞：相場法模擬二元合金枝晶生長

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【摘要】：金屬凝固過程中的枝晶形貌對所制備材料的宏觀特性有著至關(guān)重要的影響,因此,金屬凝固過程的控制方法一直是材料科學(xué)領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容。在金屬的凝固過程中存在復(fù)雜的熱量、質(zhì)量的傳輸以及界面形態(tài)和界面能的相互作用,所以欲對凝固過程實現(xiàn)控制,需要同時控制較多的參數(shù)和復(fù)雜的邊界條件。這使得采用實驗手段來控制金屬凝固過程變得較為困難。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,微觀組織計算機(jī)模擬已成為研究金屬凝固過程的最重要手段之一。上世紀(jì)八十年代以來,相場法以其簡單明了的表征方法和對多種組織變化的適應(yīng)性逐步成為材料科學(xué)領(lǐng)域研究微觀組織生長的主要手段。相場法是以金茲堡-朗道理論為基礎(chǔ),引入相場序參量j,用j=1表示固相,j=0表示液相,中間值則表示界面。通過建立與溫度場和溶質(zhì)場相互耦合的微分方程組,有效地將微觀模擬與實際宏觀過程結(jié)合起來,從而更加真實地對金屬材料的凝固過程進(jìn)行計算機(jī)模擬。因此,本文采用相場法作為基本方法來研究二元合金的枝晶生長過程。本文首先對相場法的發(fā)展過程、相變理論及相場模擬方法做了簡單的介紹,以熵增原理及熱力學(xué)定律為基礎(chǔ),建立起了二元合金在凝固過程中的熱力學(xué)一致性的相場模型,給出了引入各向異性后的相場、溫度場以及溶質(zhì)場相耦合的控制方程組。利用建立好的相場模型對Zn-Al二元合金的枝晶生長過程進(jìn)行了模擬。采用控制變量法研究了各向異性強(qiáng)度系數(shù)、界面動力學(xué)系數(shù)、界面能以及溫度梯度對枝晶生長過程中的形貌和生長速度的影響。通過分析模擬的結(jié)果,得出了下列結(jié)論:1)隨著各向異性強(qiáng)度系數(shù)的增大,枝晶生長速度加快且更容易出現(xiàn)二次支臂。2)隨著界面動力學(xué)系數(shù)的增大,枝晶生長速度隨之加快。3)隨著界面能的增大,枝晶生長速度隨之加快。4)溫度梯度對于枝晶形貌的影響主要體現(xiàn)在二次支臂上,而在溫度梯度的方向上,枝晶生長明顯加快,但是并沒有規(guī)律可尋。
【關(guān)鍵詞】：相場法 數(shù)值模擬 枝晶生長
【學(xué)位授予單位】：沈陽師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG111.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 引言10-20
• 一、枝晶生長研究背景10-11
• 二、微觀組織的數(shù)值模擬11-15
• （一）微觀組織數(shù)值模擬的作用11
• （二）微觀組織數(shù)值模擬方法11-15
• 三、相場法的發(fā)展過程15-17
• 四、相變的基本理論17-18
• （一）朗道的唯相理論17-18
• （二）金斯堡-朗道相變理論18
• 五、本文的研究問題及意義18-20
• （一）現(xiàn)有方法存在的問題18-19
• （二）研究目的及意義19
• （三）研究內(nèi)容19-20
• 第二章 相場模型的建立及求解20-36
• 一、相場模型的推導(dǎo)方法20-22
• （一）由自由能函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出的相場模型20-21
• （二）由熵增方法推導(dǎo)出的相場模型21-22
• 二、相場模型的建立22-28
• （一）純物質(zhì)相場模型的建立22-26
• （二）二元合金相場模型的建立26-28
• （三）相場模型的無量綱化處理28
• 三、各向異性的引入28-29
• 四、相場模型的計算方法29-31
• （一）有限元法30
• （二）有限差分法30-31
• 五、相場模型的離散31-33
• （一）相場方程的離散31-32
• （二）溫度場方程的離散32-33
• （三）溶質(zhì)場方程的離散33
• 六、相場模型的程序?qū)崿F(xiàn)33-35
• （一）相場模型的程序設(shè)計33-34
• （二）初始條件和邊界條件的設(shè)定34
• （三）合金的物性參數(shù)34-35
• 七、相場模型的可視化35-36
• 第三章 相場法模擬鋅鋁二元合金枝晶生長36-42
• 一、各向異性強(qiáng)度系數(shù)對枝晶生長的影響36-37
• （一）對枝晶形貌的影響36-37
• （二）對枝晶尖端生長速度的影響37
• 二、界面動力學(xué)系數(shù)對枝晶生長的影響37-39
• （一）對枝晶形貌的影響37-38
• （二）對枝晶尖端生長速度的影響38-39
• 三、界面能對枝晶生長的影響39-41
• （一）對枝晶形貌的影響39-40
• （二）對枝晶尖端生長速度的影響40-41
• 四、溫度梯度對枝晶生長的影響41-42
• 結(jié)論42-43
• 附錄43-47
• 致謝47-48
• 個人簡歷及發(fā)表論文48-49
• 參考文獻(xiàn)49-51

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：800807