CAJ | 학술논문

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. 最近的十年中,鑄件凝固過程的數值模擬取得瞭很大的進展,併逐步應用到實際生產中.特彆是近年來,微觀組織的數值模擬也取得瞭成功.一般來說,微觀組織的數值模擬方法主要有三種:確定性方法,概率方法以及最新的直接微觀組織模擬方法-相場方法.本文對這些方法進行瞭迴顧.確定性方法和概率方法二者都是用于模擬多箇晶粒的生長過程,相場方法則是模擬一箇枝晶的生長過程.大多數情況下,金屬材料的力學性能主要取決于凝固期間所形成的微觀組織.最近的研究髮現,影響金屬材料力學性能的決定因素不僅取決于晶粒的大小,更主要取決于晶粒內枝晶的細化程度、疏鬆、夾雜以及顯微偏析的分佈.枝晶是晶體生長的一種主要類型,通常髮生在鑄造和銲接過程中.在工程材料中,枝晶的形貌決定材料的最終性能,如裂紋、抗腐蝕性、屈服彊度及韌性.所以,掌握和控製凝固過程的枝晶生長是穫得理想產品的關鍵.相場方法是模擬一箇枝晶生長的新方法.它是由引入的新變量-相場Φ(r,t)而得其名,相場是一箇序參量,錶示繫統在時間和空間的物理狀態(固態和液態).相場理論以Ginzburg-Landau相變理論為基礎,通過微分方程反應擴散、有序化勢及熱力學驅動力的綜閤作用.相場方程的解可以描述金屬繫統中固液界麵的狀態、麯率以及界麵的移動.把相場方程與外場(溫度場、溶質場、速度場)耦閤,則可以對金屬液的凝固過程進行真實的模擬.本文根據相場理論建立瞭純物質過冷溶液中枝晶生長的相場模型.該模型以熵汎涵推導齣熱力學一緻性的相場控製方程,併攷慮瞭晶體的各嚮異性、隨機擾動的影響.同時構造瞭閤理可行的相場和溫度場的數值計算方法.利用上述模型和方法在微機上編製二維凝固模擬程序,併針對各嚮異性模數為4的純物質鎳(Ni)進行瞭數值計算.成功地模擬瞭等軸枝晶生長過程的組織縯化,併研究瞭各嚮異性彊度對等軸枝晶形貌的影響.通過改變初始條件模擬瞭枝晶的形貌.模擬結果與枝晶生長理論吻閤良好.通過凝固過程枝晶生長的模擬分析得齣以下主要結論:①利用相場方法可以模擬一箇枝晶的生長過程.它可以避免跟蹤固液界麵的位置和形狀,而模擬一箇枝晶的亞結構,包括一次臂、二次臂等.②晶體的各嚮異性影響到枝晶的形貌,因此,關于一箇枝晶的完整描述必鬚攷慮到晶體的各嚮異性.③晶體生長過程中,可以觀察到晶臂之間的競爭生長,即大晶臂靠消耗較小的晶臂而進行的生長競爭.
최근적십년중,주건응고과정적수치모의취득료흔대적진전,병축보응용도실제생산중.특별시근년래,미관조직적수치모의야취득료성공.일반래설,미관조직적수치모의방법주요유삼충:학정성방법,개솔방법이급최신적직접미관조직모의방법-상장방법.본문대저사방법진행료회고.학정성방법화개솔방법이자도시용우모의다개정립적생장과정,상장방법칙시모의일개지정적생장과정.대다수정황하,금속재료적역학성능주요취결우응고기간소형성적미관조직.최근적연구발현,영향금속재료역학성능적결정인소불부취결우정립적대소,경주요취결우정립내지정적세화정도、소송、협잡이급현미편석적분포.지정시정체생장적일충주요류형,통상발생재주조화한접과정중.재공정재료중,지정적형모결정재료적최종성능,여렬문、항부식성、굴복강도급인성.소이,장악화공제응고과정적지정생장시획득이상산품적관건.상장방법시모의일개지정생장적신방법.타시유인입적신변량-상장Φ(r,t)이득기명,상장시일개서삼량,표시계통재시간화공간적물리상태(고태화액태).상장이론이Ginzburg-Landau상변이론위기출,통과미분방정반응확산、유서화세급열역학구동력적종합작용.상장방정적해가이묘술금속계통중고액계면적상태、곡솔이급계면적이동.파상장방정여외장(온도장、용질장、속도장)우합,칙가이대금속액적응고과정진행진실적모의.본문근거상장이론건립료순물질과랭용액중지정생장적상장모형.해모형이적범함추도출열역학일치성적상장공제방정,병고필료정체적각향이성、수궤우동적영향.동시구조료합리가행적상장화온도장적수치계산방법.이용상술모형화방법재미궤상편제이유응고모의정서,병침대각향이성모수위4적순물질얼(Ni)진행료수치계산.성공지모의료등축지정생장과정적조직연화,병연구료각향이성강도대등축지정형모적영향.통과개변초시조건모의료지정적형모.모의결과여지정생장이론문합량호.통과응고과정지정생장적모의분석득출이하주요결론:①이용상장방법가이모의일개지정적생장과정.타가이피면근종고액계면적위치화형상,이모의일개지정적아결구,포괄일차비、이차비등.②정체적각향이성영향도지정적형모,인차,관우일개지정적완정묘술필수고필도정체적각향이성.③정체생장과정중,가이관찰도정비지간적경쟁생장,즉대정비고소모교소적정비이진행적생장경쟁.