用相场方法模拟二维枝晶生长

• 作者: 庞维诚 张玉妥
• 来源期刊: 铸造设备研究
• 学科: 工学
• 关键词: 相场方法 微观组织 序参量 枝晶生长 数值模拟
• 年，卷（期）: 2002,（1）
• 所属期刊栏目: 研究生论文摘要
• 页码范围: 15
• 页数: 1页
• 分类号: TG3
• 语种: 中文
• DOI: 10.3969/j.issn.1674-6694.2002.01.009

摘要

最近的十年中,铸件凝固过程的数值模拟取得了很大的进展,并逐步应用到实际生产中.特别是近年来,微观组织的数值模拟也取得了成功.一般来说,微观组织的数值模拟方法主要有三种:确定性方法,概率方法以及最新的直接微观组织模拟方法-相场方法.本文对这些方法进行了回顾.确定性方法和概率方法二者都是用于模拟多个晶粒的生长过程,相场方法则是模拟一个枝晶的生长过程.大多数情况下,金属材料的力学性能主要取决于凝固期间所形成的微观组织.最近的研究发现,影响金属材料力学性能的决定因素不仅取决于晶粒的大小,更主要取决于晶粒内枝晶的细化程度、疏松、夹杂以及显微偏析的分布.枝晶是晶体生长的一种主要类型,通常发生在铸造和焊接过程中.在工程材料中,枝晶的形貌决定材料的最终性能,如裂纹、抗腐蚀性、屈服强度及韧性.所以,掌握和控制凝固过程的枝晶生长是获得理想产品的关键.相场方法是模拟一个枝晶生长的新方法.它是由引入的新变量-相场Φ(r,t)而得其名,相场是一个序参量,表示系统在时间和空间的物理状态(固态和液态).相场理论以Ginzburg-Landau相变理论为基础,通过微分方程反应扩散、有序化势及热力学驱动力的综合作用.相场方程的解可以描述金属系统中固液界面的状态、曲率以及界面的移动.把相场方程与外场(温度场、溶质场、速度场)耦合,则可以对金属液的凝固过程进行真实的模拟.本文根据相场理论建立了纯物质过冷溶液中枝晶生长的相场模型.该模型以熵泛涵推导出热力学一致性的相场控制方程,并考虑了晶体的各向异性、随机扰动的影响.同时构造了合理可行的相场和温度场的数值计算方法.利用上述模型和方法在微机上编制二维凝固模拟程序,并针对各向异性模数为4的纯物质镍(Ni)进行了数值计算.成功地模拟了等轴枝晶生长过程的组织演化,并研究了各向异性强度对等轴枝晶形貌的影响.通过改变初始条件模拟了枝晶的形貌.模拟结果与枝晶生长理论吻合良好.通过凝固过程枝晶生长的模拟分析得出以下主要结论:①利用相场方法可以模拟一个枝晶的生长过程.它可以避免跟踪固液界面的位置和形状,而模拟一个枝晶的亚结构,包括一次臂、二次臂等.②晶体的各向异性影响到枝晶的形貌,因此,关于一个枝晶的完整描述必须考虑到晶体的各向异性.③晶体生长过程中,可以观察到晶臂之间的竞争生长,即大晶臂靠消耗较小的晶臂而进行的生长竞争.

作者信息

序号	姓名	单位	发文数	被引次数	H指数	G指数
1	庞维诚		13	144	5.0	12.0
2	张玉妥		1	5	1.0	1.0