二元合金相变过程晶粒生长的相场法模拟研究

摘要

材料的凝固是一个复杂的过程，其形成的微观组织直接决定着材料最终的使用性能。对材料微观组织进行研究调控，可获得所需要的材料性能及为制备高性能材料提供理论依据。相场法可直接模拟材料微观组织的形成，是一种有效的微观组织模拟工具。本文基于多相场模型，对二元合金的液-固相变与固-固相变进行模拟计算。主要研究内容与结论如下： 1.以 Al-Cu 二元合金为例，基于三维多相场模型，模拟液-固相变过程中微观组织的演化： （1）采用并行计算技术，模拟研究了等温凝固过程中多个晶粒的竞争生长，并采用实验对模拟结果进行了验证。结果表明：等轴树枝晶竞争生长分为两种类型：第一种，在竞争生长过程中，不同晶粒上的参与竞争的主枝尖端在其自身最优生长方向上停止生长；第二种，在竞争生长过程中，不同晶粒上参与竞争的主枝尖端在其自身最优生长方向上没有停止生长。第一种竞争生长类型的枝晶形貌特征分为两种情况，当竞争没有分出优劣时，参与竞争的晶粒主枝停止自身最优生长方向上的生长，竞争平面生长变大；当竞争分出优劣时，竞争优势的晶粒主枝越过阻碍其生长的晶粒，继续向其自身的最优生长方向上生长；竞争劣势的晶粒主枝停止其最优生长方向上的生长，转向没有阻碍的区域生长。第二种竞争生长类型的枝晶形貌是主枝形貌发生变形，变形从不同的视角上观察其结果为偏转和弯曲。模拟结果与实验结果吻合。 （2）以两层柱状晶为例，针对不同平面上柱状晶竞争生长的问题，研究了晶粒取向对不同竞争方式下枝晶竞争生长的影响，并采用冷喷涂及定向重熔对相场模拟结果进行了验证。结果表明：在定向凝固过程中，多层柱状晶中单层晶粒取向不一致的情况下，不同平面上的枝晶生长规律是：晶粒取向与温度梯度方向呈一定夹角的枝晶，被晶粒取向与温度梯度平行的枝晶抑制而停止生长，且晶粒取向与温度梯度方向之间的夹角越大，停止生长的时间越早。晶粒取向与温度梯度方向平行的枝晶的二次枝晶，随着晶粒取向与温度梯度方向之间的夹角增大变得更加发达。单层柱状晶竞争生长时出现的现象与这个模拟结果相似。而在多层柱状晶中单层晶粒取向一致的情况下，不同平面上柱状晶竞争生长的规律是：晶粒取向与温度梯度方向夹角越大，晶粒取向与温度梯度方向呈一定夹角的枝晶，越易穿插过晶粒取向与温度梯度方向平行的枝晶，穿插过后继续生长的越好，部分穿插过后继续生长的枝晶向平行于温度梯度的方向发生偏转，且夹角越大偏转程度越小。通过实验，在金相图片中找到了相关模拟结果，说明这两种不同平面上的竞争生长方式在现实中是存在的，并且经常出现。 （3）在三维单层与两层定向凝固柱状晶结构中，模拟研究了非择优枝晶晶粒取向角θ11与方位角θA对择优枝晶上二次枝晶的影响。结果表明：当 10o≤θ11<45o且θA<45o时，单层与两层结构择优枝晶上二次枝晶，随非择优枝晶θA与θ11的变化而产生的变化规律基本一致。其变化规律如下：随着θ11的增大，收敛晶界处择优枝晶上的二次枝晶，其生长方向朝择优枝晶的生长方向倾斜程度增大；发散晶界处择优枝晶上的二次枝晶，生长方向垂直于择优枝晶的生长方向；随着θA的增大，收敛晶界处择优枝晶上的二次枝晶，其生长方向偏转程度增大，且呈现二次枝晶分叉生长现象；发散晶界处择优枝晶上的二次枝晶，其生长方向垂直于择优枝晶的生长方向。当θ11<10o且θA<45o，θ11=45o且θA=45o时，两层结构柱状晶的形貌变的比单层复杂，这是两层结构中晶粒位置及晶粒之间的相互作用的影响结果。 2.以 Fe-C 为例，基于多相场模型，模拟固-固相变过程中微观组织的演化。文中模拟研究了不同初始共析层片间距及不同初始过冷度条件下层片状珠光体微观组织的生长形貌，探讨了在不同初始层片间距及不同初始过冷度条件下层片状珠光体微观组织生长的规律。结果表明：过冷度不变时，随着初始层片间距的增大，共析层片振幅增大，共析层片生长形貌的变化为：规则对称的层片状→非规则非对称形状→棒状；层片间距不变，初始过冷度在 19.6~20 K 时，随着初始温度的增大，即初始过冷度的减小，共析钢中碳原子扩散能力增大，由于层片间距失稳，致使共析层片由规则状向非规则形状变化；初始过冷度在 20~22 K 时，随着初始温度的降低，即初始过冷度的增大，共析钢中碳原子的扩散能力减弱，渗碳体相前沿碳原子浓度无法使其规则对称地生长，渗碳体相向碳原子浓度高的地方生长，从而产生倾斜生长以及层片合并现象。

目录

声明

第 1章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究工作

第 2章 凝固理论及相场模型

2.1 相变及相变方式

2.2 形核与长大理论

2.3 相场模型

2.4 模拟流程及计算结果可视化

2.5 小结

第 3章 二元合金凝固过程多晶粒生长的相场模拟

3.1 液-固多晶粒相场模型

3.2 参数的确定与数值计算

3.3 模拟结果与分析

3.4 小结

第 4章 二元合金定向凝固柱状晶生长的相场模拟

4.1 定向凝固的相场模型

4.2 相场参数及材料物性参数

4.3 模拟结果与分析

4.4 小结

第 5章 二元合金层片状珠光体生长的相场模拟

5.1 共析转变的相场模型

5.2 参数的确定与数值计算

5.3 模拟结果与分析

5.4 小结

结论

1 研究结论

2 展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士期间所发表的论文