Fe-C-P三元合金等温凝固过程相场法模拟

论文摘要

大部分的铸件都是由多元合金材料铸造而成，其力学性能的优劣和使用寿命的长短取决于铸件在凝固过程中所形成的微观组织。用相场方法进行多元合金微观组织形成过程的模拟，对优化工艺参数、提高铸件质量，具有很重要的实际应用价值。本文基于KKS二元合金相场模型，发展得到三元合金相场模型，采用相场和溶质场两场耦合的方法对Fe-C-P合金凝固过程中的枝晶生长进行了数值模拟。该模型从自由能入手，考虑了动力学各向异性和表面能各向异性的影响，为了模拟枝晶分枝的产生，在相场方程中加入了热扰动项。采用Visual C++6.0实现程序的计算，为了提高计算效率和节省计算时间，应用直接差分去求解两场方程，实现宏、微观场之间的耦合。计算出的结果以．TXT方式输出，利用Tecplot9.0实现模拟计算结果的可视化，并对枝晶生长过程中相关的工艺参数和相场参数对其生长的影响进行了深入研究。通过模拟，本文研究了各向异性系数、过冷度等相场参数对枝晶形貌和溶质场分布的影响；各向异性系数和过冷度对二次枝晶形貌、二次枝晶臂间距的影响。模拟逼真的再现了三元合金枝晶的生长和二次枝晶、三次枝晶的缩颈、熔断等现象。另外还模拟研究了第二种溶质元素对二次枝晶形貌、第一种溶质元素在二次枝晶间的浓度分布的影响。结果表明，过冷度和各向异性系数的增加，对二次枝晶的生长都有促进作用。第二种溶质元素的增加会加重第一种溶质元素在二次枝晶间的偏析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.2 铸件微观组织模拟常用的方法及发展概况
• 1.2.1 材料微观模拟的尺度划分
• 1.2.2 确定性方法及发展概况
• 1.2.3 概率方法及发展概况
• 1.2.4 相场方法及发展概况
• 1.2.5 各种方法的比较
• 1.3 微观组织模拟与相场法的研究进展
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 本文的主要研究工作及主线
• 第2章 相场法中的凝固理论与相场模型
• 2.1 相场法中的凝固理论基础
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 相变的基本类型
• 2.1.3 一级相变
• 2.1.4 二级相变
• 2.1.5 凝固中的形核过程
• 2.2 朗道理论和金兹堡朗道理论
• 2.2.1 朗道理论的基本原理
• 2.2.2 金兹堡朗道理论
• 2.3 相场模型
• 2.3.1 相场法的原理
• 2.3.2 纯金属凝固相场模型
• 2.3.3 二元合金的相场模型
• 2.3.4 三元合金的相场模型
• 2.3.5 相场参数
• 2.4 本章小结
• 第3章 模型的数值求解及程序的实现和可视化
• 3.1 模型的数值求解
• 3.1.1 有限差分法简介
• 3.1.2 有限元法简介
• 3.1.3 方法的比较和选择
• 3.1.4 控制方程的离散
• 3.1.5 方程求解的稳定条件
• 3.2 程序的实现
• 3.2.1 主程序的开发
• 3.2.2 扰动的设置
• 3.2.3 计算效率的提高
• 3.2.4 初始条件与边界条件的设定
• 3.2.5 材料的物性参数
• 3.3 计算结果的可视化
• 3.3.1 基于Tecplot 9.0软件的模拟结果绘图
• 3.3.2 基于Origin软件的数据处理
• 3.4 本章小结
• 第4章 Fe-C-P合金等温模拟及结果分析
• 4.1 各向异性系数对枝晶形貌的影响
• 4.2 过冷度对枝晶形貌和溶质分布的影响
• 4.2.1 不加扰动时过冷度对枝晶溶质分布的影响
• 4.2.2 不加扰动时过冷度对枝晶形貌的影响
• 4.2.3 加入扰动时的枝晶形貌和溶质场分布
• 4.2.4 加入扰动时过冷度对枝晶形貌的影响
• 4.2.5 过冷度对枝晶尖端生长速度的影响
• 4.3 P元素对模拟结果的影响
• 4.3.1 P元素对二次枝晶形貌的影响
• 4.3.2 溶质 P对 C溶质场分布的影响
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录