基于Thermo-Calc三元共晶合金凝固路径的耦合计算

论文摘要

微观偏析是合金凝固过程中的常见现象,研究该现象对于认识合金的凝固行为、进行凝固组织的预测具有重要意义。实际应用中的合金绝大多数为多元多相合金,建立描述多元多相合金的微观偏析模型,进而对多元多相体系的凝固行为和组织进行计算预测具有重要的理论和工程价值。相图所提供的热力学参数是微观偏析计算中的必需条件,但对于多元合金体系,往往没有可供参考的相图。相图计算（CALPHAD）方法的出现和成熟使之成为解决多元合金体系热力学参量的有效手段,而耦合CALPHAD也成为当今微观偏析计算中解决热力学参量最先进的方法。本文采用数值计算手段,基于本课题组提出的微观偏析统一模型,结合Thermo-Calc商用软件所提供的TQ6接口程序,构建三元共晶合金凝固路径的Thermo-Calc耦合算法,主要完成了以下研究内容:对原有的二元共晶合金凝固路径的拟合函数算法加以改进,建立了二元共晶合金凝固路径的Thermo-Calc耦合算法,在此基础上编制了FORTRAN计算程序,并对Al-1.5%Si、Al-5%Cu两种合金按两种方法进行了对比计算。基于本课题组简化的三元共晶合金微观偏析模型,构建了三元共晶合金凝固路径的Thermo-Calc耦合算法,并编制了FORTRAN计算程序。利用该程序对Al-4.5%Cu-1%Si和Al-10%Cu-2.5%Mg进行了计算,研究了两种凝固速度下,液相成分、温度、固相分数之间的关系。同时利用VC++构建了用于多元合金微观偏析计算的Windows程序的基本框架。在Al-Cu-Si三元体系的富铝角选取了四种成分的合金,分别在四种不同冷却速度下进行凝固实验。根据凝固冷却曲线和凝固组织金相分析,确定了各实验条件下的凝固路径;测量了平均凝固速度和二次枝晶间距,基于这些实验参数,用所编制的程序计算了各实验条件下的凝固路径,与实验结果进行了对比分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 热力学计算相图简介
• 1.3 Thermo-Calc 软件
• 1.3.1 软件简介
• 1.3.2 Thermo-Calc 的应用
• 1.4 多元合金微观偏析计算的进展
• 1.5 关于本文工作的一些说明
• 1.6 本文的主要工作
• 第2章 二元共晶合金凝固路径算法的改进
• 2.1 二元合金系微观偏析模型的描述
• 2.2 二元共晶合金凝固路径算法的改进
• 2.2.1 利用Thermo-Calc 获取热力学数据
• 2.2.2 二元共晶点的计算
• 2.2.3 二元共晶合金凝固路径耦合计算的整体算法
• 2.3 计算实例与比较分析
• 2.3.1 计算实例
• 2.3.2 两种方法的比较
• 2.4 本章小结
• 第3章 三元共晶合金凝固路径的耦合算法
• 3.1 概述
• 3.2 单相凝固区的算法
• 3.2.1 单相凝固区微观偏析模型的描述及分析
• 3.2.2 单相凝固区非线性方程组的数值解法
• 3.2.3 单相凝固区热力学数据的获取
• 3.2.4 单相凝固区边界点的求解
• 3.2.5 单相凝固区的整体算法
• 3.3 两相共晶凝固区的算法
• 3.3.1 两相共晶凝固区的微观偏析模型及分析
• 3.3.2 两相共晶凝固区的热力学数据获取
• 3.3.3 两相共晶凝固区微观偏析方程组的解法
• 3.3.4 两相共晶凝固区中凝固结束点的求解
• 3.3.5 两相共晶凝固区的整体算法
• 3.4 三相共晶凝固区的算法
• 3.5 三元共晶合金凝固路径耦合计算的整体算法
• 3.6 算例
• 3.7 “多元合金微观偏析计算系统”的Windows 框架构建
• 3.8 本章小结
• 第4章 富铝Al-Cu-Si 合金的实验研究
• 4.1 实验方案
• 4.1.1 合金成分的选择
• 4.1.2 铸型
• 4.1.3 测温装置
• 4.1.4 熔配及浇注
• 4.1.5 金相观察试样的制备
• 4.1.6 温度采集数据的处理
• 4.2 实验结果及分析
• 4.2.1 实验合金成分的测定
• 4.2.2 凝固冷却曲线分析
• 4.2.3 金相分析
• 4.2.4 三元合金凝固实验结果总汇
• 4.3 计算结果及分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 三元合金系的十种基本相图类型
• 附录2 实验用铸型尺寸图
• 致谢