金屬過冷熔體凝固過程微觀組織及凝固特性的相場法表征.pdf

1、大部分材料，尤其是金屬材料，在生產(chǎn)制備過程中均要經(jīng)歷由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變，即凝固過程。凝固學(xué)的中心任務(wù)是探索凝固組織的形成規(guī)律和控制方法，固/液界面形態(tài)研究是凝固理淪研究的重要組成部分，它決定了最終的凝固組織和材料性能。由于影響凝固組織形成的因素較多，近年來發(fā)展的數(shù)值模擬方法為再現(xiàn)金屬凝固過程的組織演化，揭示微觀組織的形成規(guī)律提供的有效手段。作為模擬復(fù)雜微觀組織方法的一種，相場法已經(jīng)廣為研究者們所接受。
　　本文從Ginzburg-

2、Landau理論出發(fā)，基于熵函數(shù)建立了二元合金相場模型，采用均勻網(wǎng)格顯示差分法對相場和溶質(zhì)場控制方程求解。通過研究方程數(shù)值解收斂的穩(wěn)定性條件，確定了空間步長與時間步長的選擇與物性參數(shù)之間的限制性關(guān)系;采用交替方向隱式方法求解溫度場控制方程，避免了時間步長的限制。利用VC++操作平臺的兼容性，采用C語言實現(xiàn)離散方程的程序編制，利用Tecplot軟件實現(xiàn)模擬結(jié)果的計算機(jī)圖像生成及其動態(tài)顯示;并對凝固過程中枝晶/胞晶尖端生長速度、曲率半徑、固

3、相率等進(jìn)行了計算。研究表明:
　　Ni-Cu二元合金等溫凝固過程中，各向異性系數(shù)γ強(qiáng)烈影響界面形態(tài)與枝晶尖端穩(wěn)態(tài)行為，對于<100>枝晶生長過程，當(dāng)γ＞1/15時，枝晶生長界面形態(tài)呈現(xiàn)不連續(xù)的小晶面生長，原始的相場法模型變得不可用，需要對其進(jìn)行修正計算;對于非典型的<110>枝晶生長，當(dāng)各向異性系數(shù)γ=0.02時，<110>枝晶生長呈現(xiàn)完全對稱的“雪花狀”晶結(jié)構(gòu);當(dāng)γ＞0.02時，則[(1)10]方向枝晶主支生長較[(1)01]與

4、[0(1)1]方向更為發(fā)達(dá)，枝晶生長對稱形貌被破壞，形成“羽毛狀”甚至“針狀”結(jié)構(gòu)，且沿[(1)10]方向溶質(zhì)截留效應(yīng)加劇。而對于<110>枝晶生長，界面動力學(xué)β的影響也較為顯著，隨著β的增加，側(cè)向分支出現(xiàn)大量的合并現(xiàn)象，形成“扇形狀”及“盤狀”晶，但是晶體生長的對稱性并未遭到破壞，溶質(zhì)截留效應(yīng)表現(xiàn)明顯，當(dāng)β=0.60，溶質(zhì)截留水平近似于完全截留。
　　通過對Ni-Cu二元合金等溫模擬與非等溫模擬的對比發(fā)現(xiàn):結(jié)晶潛熱的釋放使固相溫

5、度升高，而且在固相內(nèi)二次枝晶生長較為集中的區(qū)域溫度最高，發(fā)生明顯的再輝現(xiàn)象。潛熱的釋放使液相中的過冷度降低，同一凝固時間非等溫凝固時的固相率相對較小，并隨著時間變化固相率的差距也在增大，枝晶沒有等溫凝固時的發(fā)達(dá)。此外，較高的溫度利于液相溶質(zhì)擴(kuò)散，導(dǎo)致非等溫條件下的固/液界面溶質(zhì)濃度較低，溶質(zhì)截留效應(yīng)增強(qiáng)。當(dāng)存在熱擾動時，在較小的界面厚度條件下，熱擾動極易被放大，使得枝晶尖端生長穩(wěn)定性下降，枝晶生長受到抑制;擴(kuò)散系數(shù)DT對枝晶生長的影響主

6、要是熱擴(kuò)散層完成的，當(dāng)DT增大時，凝固產(chǎn)生的熱量能較快的擴(kuò)散出去，凝固區(qū)域的溫度上升更加緩慢;溶質(zhì)梯度系數(shù)δ對枝晶形貌幾乎沒有影響，但隨著溶質(zhì)梯度的增大，固相區(qū)溶質(zhì)分布趨于一致，溶質(zhì)偏析程度下降。
　　在二元合金定向凝固過程中，隨著界面推進(jìn)速度的提高，界面形態(tài)呈現(xiàn)平-胞-平轉(zhuǎn)變，界面前沿固、液相成分逐漸逼近，從而表現(xiàn)出強(qiáng)的溶質(zhì)截留效應(yīng)。在低的凝固速度下，各向異性系數(shù)γ對界面形態(tài)及尖端生長速度影響明顯。當(dāng)各向異性較弱時，凝固過程晶體

7、生長形態(tài)為海藻狀組織形貌;隨著γ增大，晶體生長形態(tài)呈現(xiàn)胞狀枝晶及胞晶生長，尖端生長速度增加，穩(wěn)定性下降。但是，定向凝固的平界面生長過程幾乎不受到各向異性的影響。除了界面推進(jìn)速度，物性參數(shù)對溶質(zhì)截留效應(yīng)也存在明顯影響，隨著梯度系數(shù)δ及界面動力學(xué)系數(shù)β的增加，固相溶質(zhì)濃度顯著增加，溶質(zhì)截留效應(yīng)增強(qiáng)。
　　對流對枝晶生長影響明顯。引入對流后，枝晶呈現(xiàn)不對稱生長，逆流方向枝晶臂生長最發(fā)達(dá)，順流枝晶臂生長速度最緩慢，其枝晶臂最短，水平方向枝

8、晶臂生長速度介于前兩者之間。通過研究多個晶粒在對流條件下的凝固過程發(fā)現(xiàn)，各晶粒之間在相互競爭生長的同時，整體沿著逆流方向生長。通過研究對流作用下各向異性γ對枝晶生長的影響發(fā)現(xiàn)，在較小各向異性條件下，各方向枝晶主支生長都比較粗大，隨著各向異性增大，各向主枝都逐漸變細(xì)，產(chǎn)生側(cè)向分支，發(fā)生明顯的頸縮效應(yīng)。當(dāng)γ增大到0.07時，引發(fā)枝晶變異，發(fā)生小晶面枝晶生長，界面上出現(xiàn)棱角;順流枝晶生長產(chǎn)生尖端分裂，枝晶根部形成斷裂趨勢。對二元合金凝固過程，