相场法在铸件凝固微观组织模拟中的研究

用凝固过程数值模拟技术预测铸件的晶粒组织,进而预测铸件力学性能已成为国内外铸造领域的研究热点;简叙微观模拟的3种数值方法,其中相场法是一种三维微观组织模拟方法;论述了相场法模拟凝固微观组织的原理及其与外部场的耦合;指出其研究方向.     

定向凝固微观组织相场法模拟进展

凝固过程中固液界面形态对凝固组织有着决定性作用,针对微观组织数值模拟研究,相场法可以很好地展示凝固过程固液界面形态的演变.在调研和查阅了大量资料的基础上,着重介绍了相场法数值模拟的基本原理及其在定向凝固的微观组织模拟国内外研究概况;最后,分析了相场模型的不足并指出了该领域研究中亟需解决的问题及其发展方向.     

定向凝固微观组织的相场法模拟研究进展

定向凝固过程中的界面形态对凝固组织有着决定性作用，相场法可以很好地展示凝固过程界面形态的演化。阐述了二元合金定向凝固相场方法数值模拟的基本原理及国内外研究现状，以Ni-Cu二元合金为例，采用相场法模拟了定向凝固过程中界面形态的演化，并指出该领域目前所面临的问题及进一步的研究方向。     

相场法凝固组织模拟的研究进展

阐述了相场法是一种用于模拟凝固微观组织的有效方法 ,是目前国内外的研究热点 ;论述了相场法模拟凝固微观组织的原理和国内外的研究现状 ,并指出进一步研究的方向。     

金属凝固微观组织的相场模拟研究进展

金属凝固微观组织对金属的性能有着决定性的影响,利用相场方法模拟凝固微观组织形成和演化已在国内外取得成功.介绍相场方法的基本原理,综述近年来国内外在这一领域的研究进展,重点介绍相场方法在枝晶生长方面的应用,并指出了进一步的发展方向.     

多元多相合金凝固微观组织相场法模拟研究进展

相场法是目前微观组织数值模拟领域中最具优势的研究方法,其在凝固微观组织数值模拟方面取得了许多重要研究进展.本文主要综述了近年来多元多相合金凝固微观组织相场法模拟在国内外的研究进展情况,在阐述了多相场模型分类与发展的基础上,对多元合金、多相合金及多元多相合金凝固微观组织相场法模拟的研究进展进行了详细分析,并指出了本研究领域存在的问题及未来的发展方向.     

过冷定向凝固Ti-44Al合金微观组织的相场法模拟

采用相图计算热动力学模型构造凝固体系的自由能,通过相场法模拟了Ti-44Al合金在过冷定向凝固条件下微观组织演化,观察到胞/枝晶共存的微细结构的形成。对胞/枝晶尖端温度场分析表明,结晶潜热的释放导致“领先臂“尖端的固相前沿出现局部正温度梯度有利于这种结构的形成。同时考察了“领先臂“尖端的溶质场分布并计算了溶质分配系数。模拟结果与试验结果有可比性,与理论结果相符合。     

合金微结构的微观相场法模拟

基于相场法理论,详细介绍了二元及三元合金体系的微观相场法动力学模型。指出了在微结构模拟研究方面,微观相场动力学模型具有的独特优越性:该模型可基于原子层面研究合金的沉淀机制;获得清晰、直观的原子显微形貌;描绘出合金的有序化、成分簇聚等过程,并能清晰地模拟出三元合金中原子的替代规律。同时,阐述了相场法在二元、三元合金微结构模拟研究中的应用和发展。     

合金微结构的微观相场法模拟

摘 基于相场法理论，详细介绍了二元及三元合金体系的微观相场法动力学模型。指出了在微结构模拟研究方面，微观相场动力学模型具有的独特优越性：该模型可基于原子层面研究合金的沉淀机制：获得清晰、直观的原子显微形貌；描绘出合金的有序化、成分簇聚等过程，并能清晰地模拟出三元合金中原子的替代规律。同时，阐述了相场法在二元、三元合金微结构模拟研究中的应用和发展。     

凝固微观组织晶体相场模型的研究进展

晶体相场模型(phase field crystal model)是一种模拟凝固微观组织的新方法,对这一模型及其应用的研究是近年来国际上的研究热点问题.论述了晶体相场模型原理及其在凝固微观组织数值模拟中的研究现状,并且指明了进一步的研究方向.     

相场模型及其在凝固组织模拟中的研究进展

相场法作为一种模拟凝固微观组织的有效方法,是目前研究的热点.对相场模型的基本原理、数值计算方法以及在凝固组织模拟中的研究进展进行了综述,提出了相场模型在微观组织模拟中存在的主要问题以及今后的发展方向.     

相场参数对多元合金凝固过程影响的相场法模拟

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,研究了各向异性系数和过冷度对合金凝固过程的影响.结果表明:随着各向异性系数的增大,二次枝晶越来越发达,枝晶尖端生长速度增大,且尖端速度波动的幅值增大;随着过冷度的增大,枝晶形貌更成熟,枝晶尖端的曲率半径减小,而枝晶尖端的生长速度呈线性增长趋势,溶质扩散层厚度减小,相应地溶质梯度增大.     

相场法模拟凝固过程中界面效应对晶粒形核的影响

采用连续相场模型对晶粒形核过程进行模拟,从动力学角度考虑,引入类似于纳米颗粒的界面效应,分析它对形核过程的影响;同时研究形核过程中晶核的析出、形核数目变化、晶界厚度变化以及晶核生长的特点。结果表明,界面效应为形核过程提供驱动力,促使晶核的快速长大;形核过程中晶核数目随时间逐渐增多,晶核尺寸逐渐增大,晶核生长速度较快,同时晶粒位向取向参数的变化反映了晶粒尺寸和晶界厚度的变化。     

凝固过程中椭圆形颗粒对晶粒生长影响的相场法模拟

用相场法模拟了凝固过程中椭圆形钉扎颗粒对晶粒长大的影响,考虑了不同长短轴比下的椭圆形颗粒对单位面积内晶粒数目、晶粒平均半径、晶粒尺寸分布以及晶粒所占面积分数的影响.结果表明,长短轴之比越小(短轴越长),颗粒对晶粒的钉扎作用就越弱,晶粒数目会越少,晶粒所占的面积分数会越来越大,平均晶粒尺寸也会越来越大,晶粒尺寸分布会越来越不均匀,发生晶粒异常长大的几率就会越来越大.     

Fe-C合金等温凝固过程的相场法模拟

基于KKS模型,采用耦合相场和溶质场的方法,对Fe-0．5mol％C合金凝固过程中的枝晶生长进行了模拟,并研究了过冷度、各向异性强度和扰动强度对枝晶生长形貌的影响。结果表明：随着过冷度的减小,枝晶主干细化,各向异性程度增大,晶粒生长速度减小,溶质扩散层厚度增加,枝晶的最高溶质浓度降低,溶质梯度减小;随着各向异性的增加,晶粒由海藻状转变为枝晶态,枝晶生长速度也随之增大;扰动强度引发了侧向分枝,侧枝间互相竞争生长,根部出现“颈缩”现象,但扰动强度的加入并不改变枝晶尖端的稳态行为。     

二元合金非等温凝固过程的相场法模拟

基于Ginzburg-Landau理论,发展了一个新的相场模型.并利用该相场模型与溶质场、温度场进行耦合计算,以Al-6.5Cu合金为例模拟了二元合金非等温凝固和等温凝固的等轴枝晶生长过程.研究了凝固潜热对过冷合金熔液中的等轴枝晶生长以及溶质场和温度场的分布的影响.结果表明:潜热的释放在一定程度上抑制了枝晶的生长,使非等温凝固时枝晶没有等温凝固时发达,并且凝固界面的溶质浓度也会降低,但不会改变在枝晶生长过程中浓度分布情况.而且非等温凝固时的Peclet数值与Ivantsov理论值符合得更好.     

热噪声促发枝晶侧向分支的相场法数值模拟

使用耦合热扰动的相场模型,对枝晶生长过程中噪声引发侧向分支的形成进行了研究.结果表明,温度场方程中加入的能量守恒噪声能够引发枝晶侧向不稳定,是侧向分支形成的主要起因;相场方程中引入的非能量守恒噪声对侧向分支的贡献不大,考虑到节省计算量,在实际计算中常将其忽略;热扰动幅值Fu对温度场的影响明显,当Fu取值适当时,热噪声可以引发侧向分支,但是不影响尖端的稳态行为.     

Fe-C合金等温凝固过程枝晶形貌的相场法模拟

基于KKS模型,采用相场和溶质场耦合的方法,对Fe-0.5%C(摩尔分数)合金凝固过程枝晶的生长进行了数值模拟,研究了晶粒的长大过程及各向异性强度和扰动等对枝晶形貌的影响.结果表明:晶体生长初期,晶粒形貌为球状,随着时间的推移,晶粒形貌由球状经星形向枝晶形转变,最后形成复杂的树枝晶;随着各向异性的增大,晶粒形貌由球形逐渐向四边形转变,最后形成树枝形;各向异性使晶粒形貌以枝晶方式生长,扰动是引发枝晶的侧向分支的主要原因.