Al-Si-Cu合金初生相析出过程数值模拟

论文摘要

Al-7wt%Si-5wt%Cu合金具有很高的比强度和比刚度、优良的减振性、电磁屏蔽性、良好的机械加工性,因此该合金在航空航天、摩托车汽车工业,建材工业等都广泛应用。材料的凝固组织决定材料的力学性能,要想控制材料的组织,就必须掌握其组织的形成过程。而通过计算机微观组织模拟可以跟踪显示晶体的形核、生长和组织转变过程,预测晶粒度,进而可以通过改变成形工艺参数,获得理想的微观组织和力学性能。微观组织模拟技术架起了工艺设计与性能控制之间的桥梁,对于实现工艺—组织—性能一体化研究具有十分重要的意义。本文用元胞自动机方法,建立了Al-Si-Cu三元合金初生相析出过程计算机模拟的数学模型,包括温度场模型、三元合金结晶潜热处理模型、晶体形核模型、晶体生长模型、溶质扩散模型等,确定了温度场、浓度场模拟的边界条件和初始条件。模拟了铸件凝固过程的温度场和初生相的析出过程;研究了凝固过程中,固相分数与界面曲率、溶质浓度、晶体生长速度的关系,以及生长速度与凝固时间、固相分数的关系。对温度场模拟结果和初生相形貌进行了实验验证,实验表明:模拟与实验结果基本一致,证明数学模型正确。计算机模拟结果表明:金属型、砂型铸造条件下,初生相都近似为球状;相同的浇注温度下,金属型铸造比砂型铸造的初生α相晶粒更细小,晶粒数目更多;在单个元胞内,晶体的固液界面曲率随固相分数的增大而减小;由于溶质扩散的作用,随固相分数的增加,元胞内总的溶质浓度逐渐降低,液相中的溶质浓度升高;随固相分数的增加总的过冷度增大,导致晶体生长速度逐渐增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究凝固模拟的意义
• 1.2 凝固组织数值模拟的发展状况
• 1.3 凝固组织模拟的主要方法
• 1.3.1 相场法
• 1.3.2 界面跟踪法
• 1.3.3 蒙特卡罗法
• 1.3.4 元胞自动机法
• 1.4 本课题研究内容
• 第二章 凝固组织计算机模拟数学模型
• 2.1 凝固组织计算机模拟概述
• 2.2 温度场模拟数学模型
• 2.2.1 基本假设条件
• 2.2.2 计算区域的离散化
• 2.2.3 边界条件和初始条件
• 2.2.4 导热差分方程的推导
• 2.2.5 边界处导热方程的推导
• 2.2.6 结晶潜热的处理
• 2.2.7 热平衡方程的稳定性
• 2.2.8 宏观温度场计算流程
• 2.3 组织模拟数学模型
• 2.3.1 计算区域的离散化
• 2.3.2 宏观温度场与微观温度场的耦合
• 2.3.3 形核模型
• 2.3.4 界面曲率的计算
• 2.3.5 生长动力学模型
• 2.3.6 时间步长的确定
• 2.4 溶质再分配与扩散模型
• 2.4.1 溶质扩散基本假设
• 2.4.2 溶质再分配
• 2.4.3 扩散通式的推导
• 2.4.4 扩散差分方程的推导
• 第三章 模拟结果与实验验证
• 3.1 铝硅铜三元合金凝固过程
• 3.3 实验过程
• 3.4 温度场模拟结果验证
• 3.5 组织模拟结果验证
• 第四章 模拟结果及结果讨论
• 4.1 金属型铸造条件下初生相的析出过程
• 4.2 界面曲率、曲率半径与固相分数的关系
• 4.3 溶质浓度与固相分数的关系
• 4.4 生长速度与凝固时间的关系
• 4.5 生长速度与固相分数的关系
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢