枝晶生长的介观尺度三维数值模拟

为预测合金介观组织的形成与演变,提出了改进的三维元胞自动机(CA)模型。该模型采用枝晶形状函数,简化描述介观区域的枝晶生长轮廓;利用基于Euler角的空间坐标转换,描述随机晶向的多晶粒生长;采用Hash表加速算法,耦合了溶质场计算,采用数值算法处理固液界面的溶质再分配。该模型可模拟大范围随机取向的多晶粒生长过程,并具有较高的计算效率。模拟结果表明:不同模拟区域和网格剖分尺寸对晶粒体积的分布规律没有明显影响;较快冷却速度下,存在溶质富集和枝晶偏析。对Al4Cu合金的砂型和金属型试样的显微组织分别进行模拟,结果与实验符合较好。     

多元合金多晶粒枝晶生长的相场模型

基于多元合金多晶粒生长的等温相场模型,耦合温度场,提出一个新的相场模型.利用这个模型,以Al-Cu-Mg三元合金为例模拟多元合金凝固过程中多个晶粒的枝晶生长过程.结果表明,这个模型的计算结果展现了多个晶粒枝晶的竞争生长;在模拟中可以展现合金凝固中潜热的释放;能较真实地再现凝固过程中的枝晶生长过程.     

铸造速度对Al-Cu合金半固态组织影响的多尺度模拟

用多尺度模拟方法研究了半连续铸造过程与Zl201合金成分近似的5%Al-Cu合金凝固组织受铸造速度的影响。建立了温度场模型和相变模型。通过固相率的变化把温度场计算和微观组织模拟从宏观尺度和介观尺度耦合起来。将宏观尺度上计算出的稳态温度场映射到介观尺度上。利用液固相变区中原胞的平均过冷度确定半连续铸造过程中各元胞的形核,采用溶质扩散模型描述晶粒长大。针对选定对象模拟了浇铸温度为930 K,铸造速度在(1.5～3.5)mm/s时微观组织的演变。结果表明,当铸造速度在2.0 mm/s时得到的微观组织均匀、细小,模拟结果与实验结果吻合。     

合金凝固过程枝晶生长的界面前沿跟踪法模拟

为预测铝合金铸件凝固时的微观组织演化,本文采用当量法对KGT模型进行扩展,建立了适应多元合金的界面前沿跟踪模型?应用该模型对Al-6Si-4Cu合金凝固过程的微观组织的演化过程进行了模拟?实验结果表明,所建立的模型能够再现凝固过程中自由枝晶生长形态?液相中的溶质分布以及多晶生长时枝晶的竞争生长过程?该模型可以实时地跟踪凝固界面前沿的位置,节省计算时间,提高效率?     

垂直连铸凝固过程的数值模拟研究

采用基于Eulerian-Eulerian方法和合金凝固理论的液相-柱状晶-等轴晶三相凝固模型，对立式连铸工艺中结晶器内的凝固过程进行了研究.对比焓-多孔介质凝固模型，除热溶质浮升力导致的熔体流动，该三相凝固模型还考虑了柱状晶组织的生长、等轴晶组织的形成和演变以及游离等轴晶粒的沉浮，揭示了等轴晶沉降漂移作用对宏观溶质传输及凝固组织分布的影响.模拟结果显示铸坯中心处由等轴晶粒沉积形成的富等轴晶区存在溶质负偏析，紧邻该负偏析区域存在带状偏析区域.随着钢液过热度增加，等轴晶分布减少，中心处宏观偏析加重.     

强制对流作用下溶质枝晶生长的CA-LBM模拟

应用一个二维的元胞自动机(cellular automata, CA)-格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM) 耦合模型,对合金等温凝固过程中溶质枝晶在强制对流作用下的生长规律进行了模拟研究.该耦合模型采用CA方法模拟枝晶生长,同时采用基于分子动理论的LBM模拟枝晶生长过程中的流场和浓度场.应用该模型模拟分析了过冷度和成分等因素对Al-Cu合金在纯扩散和对流作用下单枝晶的生长规律的影响.结果表明,在纯扩散条件下,模拟的枝晶稳态生长尖端速度、半径、Peclet数和过冷度的关系与Lipton-Glicksman-Kurz (LGK)模型的预测结果吻合良好.对流作用下枝晶的生长形貌呈现出了不对称性,枝晶的生长在上游方向得到促进,而在下游方向受到抑制.合金成分和初始过冷度等因素会对枝晶形貌和生长动力学产生影响.     

430不锈钢凝固显微组织模拟的3D CAFE模型

在同时考虑传热、流动和溶质扩散基础上建立了预测铁素体不锈钢多元合金凝固组织的3D CAFE模型,揭示了430不锈钢凝固过程中温度、固相率及晶粒形貌的变化规律.模型中采用高斯分布描述形核密度与过冷度的关系,应用KGT模型描述枝晶的生长过程.根据Fe--C--17%Cr平衡相图确定了430不锈钢的凝固路径,在考虑凝固收缩的基础上预测了铸锭的疏松和缩孔分布.组织模拟结果与实际铸锭基本一致,二者的温度变化和组织结构特征也基本吻合.     

基于PF-LBM模型的自然对流影响枝晶生长模拟

基于二元合金枝晶生长的相场模型,建立耦合流场、温度场和溶质场等物理外场的多元合金相场模型,模拟了单晶粒和多晶粒在自然对流作用下的生长,观察了枝晶凝固过程中的枝晶形貌、流场以及溶质场的变化.研究发现:温度梯度和浓度梯度改变引起自然对流,使枝晶整体的对称性遭到破坏,上游枝晶尖端生长受到促进,生长速度大于下游,水平方向枝晶尖端生长速度介于上下游之间,二次枝晶臂生长速度、浓度与一次枝晶臂基本相同,能量起伏和结构起伏使枝晶受到的影响更加明显.此外,随着各向异性强度增加,枝晶尺寸变大,生长速度加快,主枝晶臂变细,内部凹陷变明显,尖端变尖锐,二次枝晶臂间距增大.当单晶粒各向异性强度为0.05时,出现明显的“颈缩”现象,多晶粒在各向异性强度为0.03时,出现明显“颈缩”现象.     

合金凝固过程中等轴枝晶生长的数学模型

在枝晶晶粒的尺度上，从同时满足溶质守恒与热平衡的原则出发，提出了合金凝固过程中等轴枝晶生长的数学模型。该模型由４个相互联系的微分方程组成，可通过计算机求解，为模拟枝晶合金凝固组织的形成过程奠定了初步基础。     

强迫层流环境下多晶粒生长的相场法模拟

将模拟流场所用的Lattice Boltzmann方法(简称LBM)和模拟枝晶生长的相场模型进行耦合,模拟Al-Cu合金等温凝固过程中多晶粒在纯扩散和存在对流情况下枝晶的生长状况.模拟结果显示:在枝晶的生长初期,无论是纯扩散还是存在对流,各晶粒间间距较大,无相互影响,独立生长;纯扩散条件下枝晶呈现明显的对称性,强迫层流作用下,由于对流的存在,上游侧枝晶比下游侧枝晶发达;随着枝晶慢慢长大,各晶粒相互影响,产生竞争生长,导致枝晶生长产生不对称性;流速的大小会影响枝晶的生长形貌,流速越大,枝晶生长越快,非对称性越严重,下游越易产生涡流.     

A Modified Cellular Automaton Method for the Modeling of the Dendritic Morphology of Binary Alloys

Introduction The solidification microstructure of a casting is closely associated with the mechanical properties of the final product, which has led to extensive theoretical and experimental studies in this area. However, because of its complexity, the fo…     

Prediction of grain structure in direct-chill cast Al–Zn–Mg–Cu billets using cellular automaton-finite element method

A cellular automaton-finite element (CA-FE) model was used to predict the solidification grain structure of permanent mold cast A7086 alloy. In this model, a Gaussian distribution of nucleation sites was adopted, and the Kurz-Giovanola-Trivedi model was extended to a multicomponent Al–Zn–Mg–Cu alloy system to determine the growth kinetics of the dendrite tip. For describing the Gaussian distribution of nucleation sites on the mold surface, an empirical relationship between the initial cooling rate of the melt and the nucleation density was proposed. Under various casting conditions, the calculated grain structures agreed well with the experimental results. Subsequently, the model was applied to the direct-chill (DC) cast billets, and the simulated grain structures reproduced well the experimental results. This confirmed that the current CA-FE model can be used practically and effectively in DC casting processes.     

二元合金非等温凝固枝晶生长的数值模拟

采用相场方法对二元合金的非等温凝固进行二维数值模拟.以Ni-Cu合金为例,研究了在不同热扩散系数和不同溶质梯度系数下枝晶的生长以及二元合金的溶质分布.研究结果表明,随着热扩散率的增大,包围等轴晶的热扩散层增厚,抑制了侧向分支的生长,从而使侧向分支生长不发达;其次,热扩散率的增大,使得溶质场扩散层也明显增厚,溶质截留现象不明显,但在溶质场界面前沿产生明显溶质偏析;当溶质梯度系数增大时,相场形貌厚度并不产生影响,但溶质场扩散厚度却显著增加,而溶质偏析程度得以降低.     

对流下二元合金凝固过程的相场法研究

采用耦合流场的相场模型,以Ni-Cu二元合金为例模拟金属非等温凝固和等温凝固时的枝晶生长,把两种模拟结果作比较。发现:两种模型得出的结果都与溶质再分配理论相符合;潜热的释放在一定程度上抑制枝晶的生长,使得非等温凝固时的平衡再分配浓度比等温凝固时低;非等温凝固的生长Peclet数与Oseen-Ivantsov理论值吻合得更好。     

金属凝固组织的计算机仿真

探索了一种新的仿真金属凝固过程中微观组织形成的方法。通过引入导质形核模型，枝晶生长模型，几率形术底模型，借鉴单元动生长机制，仿真等轴晶、柱状晶组织形成的过程。结出了图形仿真结果，襁和实验结果符合得较好。     

Dendrite growth and micromechanical properties of rapidly solidified ternary Ni-Fe-Ti alloy

The rapid solidification of undercooled liquid Ni_(45)Fe_(40)Ti_(15)alloy was realized by glass fluxing technique.The microstructure of this alloy consists of primaryγ-(Fe,Ni)phase and a small amount of interdendritic pseudobinary eutectic.The primaryγ-(Fe,Ni)phase transferred from coarse dendrite to fragmented dendrite and the lamellar eutectic became fractured with the increase of undercooling.The growth velocity ofγ-(Fe,Ni)dendrite increased following a power relation with the rise of undercooling.The addition of solute Ti suppressed the rapid growth ofγ-(Fe,Ni)dendrite,as compared with the calculation results of Fe-Ni alloy based on LKT model.The microhardness values of the alloy and the primaryγ-(Fe,Ni)phase increased by 1.5 times owing to the microstructural refinement caused by the rapid dendrite growth.The difference was enlarged as undercooling increases,resulting from the enhanced hardening effects on the alloy from the increased grain boundaries and the second phase.     

多元合金等温凝固相场法模拟

利用由二元合金相场模型扩展获得的多元合金相场模型,以Fe-C-P合金为例,研究界面厚度对枝晶生长的影响.结果表明,随着界面厚度的减小,枝晶生长速度增大,界面推进速度提高,主枝晶臂变细,二次枝晶臂越发达,固液界面溶质扩散层的厚度减小,界面前沿溶质分配系数增大,而界面前沿溶质偏析程度也相应增大;相反,随着界面厚度的增加枝晶尖端生长速度逐渐减小,并呈收敛的趋势.     

Microstructure and grain orientation evolution of a specially shaped shroud during directional solidification process

The microstructure and the grain orientations of one shroud prepared by directional solidification process have been investigated using metallographic method and electronic backscatter diffraction (EBSD). The results indicate that the solidification process of the tested shroud is composed of three steps: dendritic branching, the break-up and drift of the dendrite arms and the solidification of the residual liquid. Misoriented grains were formed between the primarily solidified dendrite stems during the process of recalescence which was caused by the accumulation of the solidification latent heat. A low angle grain boundary of 61 was produced across the impinging dendrite fronts.