纯金属凝固过程枝晶生长的相场法研究

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1、山东人学博t学俯论文纯台属凝围过程披品t长的相场i上耐fJ彳f摘要采用计算机建模和数值模拟建立材料微观组织与材料加工工艺、材料性能间的联系，实现对材料性能的预测和改善具有重要的工程意义和理论价值。本文利用相场法微观组织数值模拟技术，对过冷纯金属凝固过程枝品的生长进行了模拟，研究了不同模拟条件下的枝晶生长方式，探讨了过冷纯金届熔体枝晶的生长机制。首先，本文在二维Wheeler模型的基础上，考虑了热扩散各向异性及固液相热扩散差异、结构起伏和能蹙起伏的影响，建立了包含控制方程和热传输方程的二维相场模型。

2、在数值求解过程中，对控制方程进行标准二阶中心有限差分，考虑到最近邻和次近邻的网格因素，对V2≯采用九点法离散，以消除网格各向异性的影响；采用了交替隐式差分方法计算无量纲温度场。其次。运用该相场模型，系统研究了过冷对纯会属熔体凝固过程中树枝晶侧向分枝生长行为的影响规律，探讨了结构起伏、能量起伏对过冷纯金属熔体中树枝晶生长的影响规律。结果表明，过冷熔体中存在的大量结构起伏和能量起伏是引发二次技晶的凼素之一，较小强度的起伏不会影响枝品尖端的稳态生长行为。随着结构起伏和能量起伏水平的增大，晶体中二次技晶百

3、分比增加，并在起伏强度达到一定值时，一次枝晶可能会转变为海藻形态生长。二次技晶的百分比与起伏强度可以用对数关系描述：s=0．0761n(0．32靠)+o．34。此外，在结构起伏和能量起伏强度一定的情况下，过冷度较小时，随着过冷度的增加，枝晶形貌仅仅是广泛地自我复制，同时开始出现二次枝晶的位置越来越靠近枝晶尖端，这和枝晶尖端的动力学过冷度大小有关。当开始出现二次枝晶的位置与枝晶尖端的距离介于l—2个枝晶尖端半径时，枝品形貌将会m现重大转变，其主干出现缩颈，在对流作用下枝晶将在缩颈处熔断，导致晶粒的自

4、身细化。该过程可以解释金属与合会熔体在过冷条件下晶粒细化的现象。同时随着过冷度的增大，晶体中二次枝晶越来越友达，其百分比与过冷度大致呈正比关系。再次，研究了金属的同一液热扩散系数比(∥=k。／断)对过冷熔体中树枝晶侧向分枝生长行为的影响规律，探索了过冷纯金属熔体中热扩散系数对树枝晶生长的影响规律，建立了不同热扩散条件下尖端过冷度、速度、半径随时间变化的关系。结果表明，针对固一液热扩散差异，系统地研究发现，金属固一液热扩散系数比∥越大，侧向分支的生K受到强烈的抑制，其百分比减少，同时晶体的RMS距离

5、z如越小，晶体的各向异性强度越小。此外研究发现枝晶稳摘要定生长时，其尖端过冷皮和速度与热扩散系数成正比，尖端半径与热扩敞系数成反比。关键训：过冷；枝晶生长；相场法；结构起伏：能量起伏山东太学博十学位论文一地舍榍强同吐程枝晶生长的相场法IcIf究AbstraetComputermodelingandnumericalsimulationsofdendriticcrystalgrowthplaysanimportantroleinpredictionandimprovingmaterialproper

6、ties10establishtherelationshipofmaterialproperUesandmaterialprocessingwithmaterialmierostmeture．111iswerkaimedatsimulatingdendriflegrowthdnringsolidifieationofundercooledmeltofpuremetalunderdifferentconditionbyusingphase—fieldmicro-modeling．Themechani

7、smofdendriticgrowthintmderconledmeltisdiseussed．First,besedontheWheeler2-Dmodel，a2-Dphase—fieldmodelwasderivedinlightofanisotropythermaldiffusivity，differentthermaldiffusivityinsolidstateandliquidstate．structuralfluctuationandenergeticfluctuation．Them

8、odelconsistsof2一Dphase-fieldequationsandthermaltransportationequationsThegoverningequationisdiseretizedusingstandardsecondordercentralfinitedifferencemethodwithuniform鲥ds，exceptthatV2≯isdiserefizedusinganine—pointmethodtoreducethegridanisotrop