凝固过程数值模拟的研究进展和发展趋势.pdf

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1、斜孝屯苏2014年第59卷第10期：845853<中国科学)杂志社www．scichina．comcsb．scichina．comSCIENCECHINAPRESS凝固过程数值模拟的研究进展和发展趋势黄卫东①，王猛∞①凝固技术国家重点实验室，西安710072②西北工业大学材料学院，西安710072联系人，E—mail：huang@nwpu．edu．cn2013—04—10收稿，2013—06—05接受，2013—08．08网络版发表国家重点基础研究发展计~J(2011CB610402)资助摘要回顾了凝固过程理论描述及数值模拟的发展历史，对其研究现状和存在问题进行了评关键

2、词述，重点分析了与凝固组织形成相关联的理论研究要点，对目前已经建立的宏微观结合／耦合凝固过程凝固过程描述及模拟方法进展进行了归纳总结，在此基础上对凝固过程精确理论描述和数值精确理论描述模拟的前景及趋势进行了展望．数值模拟宏微观耦合凝固在自然界及人类生产实践中占有十分重要的回J顷．地位．从熔岩冻结为地壳到海洋中冰山浮现，都是自致密组织是保证良好铸件性能的基础．大多数然演进历程中凝固过程的重要体现．而在人类的生合金在凝固过程中均伴随着体积收缩，可能因此导产实践中，从矿石冶炼到金属构件的铸造成形、焊接致铸件在不良凝固条件下的组织疏松．为了避免此组合，无一不涉及到凝固过程．作为

3、从液态金属到最类缺陷，人们通过对铸造过程进行热分析来预测铸终构件的最直接成形途径，铸造同时也是现有材料件内部疏松发生的概率及位置，进而优化温度场来成形方法中最为复杂的工艺过程．使特定成分合金获得致密的铸件．热节圆法、模数法在早期用于铸件液在外场约束条件下完成凝固过程，可以获得具备凝固过程的热分析，如周尧和等人_1]就基于模数法分不同内部组织及外部形态的铸件．深入理解并准确析提出了后续在钢铁铸件生产中广泛应用的保温冒掌握外场约束条件下的凝固过程，是实现铸件性能口工艺．随着数值计算方法的发展，人们进一步通过控制和优化的前提．建立凝固过程的精确理论描述耦合流动及相变过程的温度

4、场数值计算方案来开展和可靠数值模拟，在此基础上实现凝固过程的精巧更为精确的铸件凝固过程热分析，可以实现铸件疏控制，获得铸造工艺和铸件性能的最佳优化，已经成松缺陷的良好预测．与此同时，通过在铸件热分析过为了当前物理冶金学家及材料研究学者的关注热点．程中耦合应力场分析，可以实现铸件热裂倾向的预测；通过分析充型流动，可以考察夹杂物的运动状态，1凝固过程的早期理论描述从而实现夹杂分布缺陷的预测．凝固过程的早期理论描述主要基于热分析、流动铸件凝固条件的差异会导致不同的凝固组织形分析、形核理论、凝固形态学等而建立．通过理论描成，进而对应不同的铸件性能．沿壁厚方向由外向内述与生产实践

5、的相互结合、印证，已经能够在一定程铸件中通常形成表面激冷晶、定向柱状晶、中心粗大度上实现对铸件典型组织和缺陷的定性预测和控制．等轴晶3个晶区分布：铸件表层冷却强度高，大量晶以下将对凝固过程早期理论描述的发展进行简要粒快速形核从而形成了细小等轴晶区；因结晶潜热引用格武：黄卫东，王猛凝霹过程数值模拟的研究进展和发展趋势．科学滋报，2014,59：845,853

6、I-

7、一。英文腹见：HuangWD，1w§ngM．p细gre，憾lop玎瑚ttrcn幽inthenumericalmod烈ingofgoiidifieationidsciBtlⅡ’20l4，5doi：lD蛳34-O1

8、3—0092-6■0

9、■讲学极2014年4月第59卷第10期释放及导热条件改变，铸件稍内层的冷却强度降低，最初的凝固过程仿真只单一地计算温度场，虽然同形核难度增大，而局部较大的温度梯度促进了柱状早期的传热过程数学分析方法相比能够更为准确地晶的单向生长；逼近铸件心部位置，因热流方向性减反映铸造过程的温度场，但由于大多数实际凝固过弱。冷却速度降低，发展为铸件中心的粗大等轴晶程都伴随着显著的以致强烈的液相对流，针对静止区I2】．凝固界面形态及其演化现象是铸件凝固组织多流体的温度场计算同实际的温度场必然相差很远．样性的根源之一．凝固界面形态由温度场及溶质场因此第二阶段的凝固过程

10、数值仿真耦合了温度场与条件控制，Tiller等人I3】早在1953年就描述了因溶质流场，它可以给出相当准确的温度场信息，这是铸造富集而导致的液同界面失稳现象，揭示了凝固界面商业软件当前的发展水平．由于不涉及凝固过程的形态从平面到胞／枝晶演变的控制条件．基于凝固过计算，目前的商业软件不能给出宏观偏析和材料组程的相关理论描述及相关实验证据，研究者们还进织状态的信息，而这正是理解和控制铸件性能最重一步给出了不同冷却条件下单相凝固组织及其特征要信息．本文所指的凝固过程精确理论描述，最低限尺度的选择图谱．度应该是耦合了温度场、流场、浓度场和相变过程