金属单相凝固组织演化的定量相场模拟与实验验证
文献类型：学位论文
| 作者 | 陈云 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2012 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 李殿中 |
| 关键词 | 定量相场模拟 金属 单相凝固组织 实验 晶体生长 Quantitative phase-field model solidification metal microstructure of primary phase experiment crystal growth |
| 学位专业 | 材料加工工程 |
| 中文摘要 | "掌握和控制凝固过程组织形成对获得高质量的铸件具有重要意义。近年来，为再现金属凝固过程组织演化特点，揭示凝固组织形成机制，计算机数值模拟已经成为国内外很多学者所采用的研究方法。相场方法作为一种有效的数值模拟方法，克服了其它数值方法的缺点，能够很好地模拟凝固过程复杂界面的演化过程。本研究采用自适应网格的有限元法求解相场模型控制方程，采用定量模拟与实验紧密结合的研究方式，主要进行了以下几方面工作： (1) 镍的过冷熔体中自由枝晶生长的相场模拟。首先基于热力学定律推导了纯物质相场模型，比较了目前广泛使用的两种相场模型在模拟纯物质自由枝晶生长方面的差异。然后研究了不同的模型参数，如界面宽度、计算域大小、扰动幅度等对相场模拟的枝晶形貌的影响。最后将相场模拟结果分别与经典凝固理论和实验数据进行比较。 (2) Al-4wt.%Cu合金定向凝固初始过渡阶段组织演化相场模拟分别与凝固理论和原位实时观察实验的定量比较。研究结果表明，相场模拟的定向凝固初始过渡平面凝固阶段与Warren-Langer理论模型预测一致，确定了相场模拟能够准确反映扩散控制的凝固过程。在与实验数据进行定量比较时发现，由于实验中自然对流的存在，相场模拟结果只与平面凝固初期阶段吻合很好，而在平面凝固后期，自然对流较强，模拟与实验差别较大。平界面失稳后，模拟的初期胞状晶间距与实验中流动跟胞晶生长方向平行的区域内的胞晶间距差别较大，而与实验中流动跟胞晶生长方向垂直的区域内的胞晶间距吻合较好。 (3) Al-4wt.%Cu合金定向凝固初始过渡阶段凝固组织形貌演化的相场模拟与海藻状组织形成机制。当冷却速度和温度梯度满足成分过冷的平界面失稳判据时，界面形状的演化随着温度梯度和冷却速度的变化而变化。通常认为平界面失稳后，界面由平面状向胞状（Cellular），再由胞状向树枝状（Dendritic）转变，但研究发现了两种新的转变模式：胞状或者树枝状向海藻状（Seaweed）的转变。。根据模拟结果，研究了海藻状组织的形成机制，并对其生长动力学进行了表征。 (4) 流动对凝固组织生长影响的模拟。在前述扩散控制相场模拟与原位实时观察实验比较的结果中，已经表明流动对固液界面演化过程影响的重要性。因此，为进一步深化对实际凝固过程的认识，改进相场模型，耦合流体动力学Navier-Stokes方程，模拟了存在自然对流作用时，Al-4wt.%Cu合金定向凝固初始过渡阶段固液界面演化过程，并将模拟结果与原位实时观察实验进行比较。由于流动传热的影响，枝晶尖端生长速度受流动速度和流动方向影响明显。 关键词：定量相场模拟，金属，单相凝固组织，实验，晶体生长" |
| 公开日期 | 2013-04-12 |
| 源URL | [http://210.72.142.130/handle/321006/64442]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈云. 金属单相凝固组织演化的定量相场模拟与实验验证[D]. 北京. 中国科学院金属研究所. 2012. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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