铝硅合金凝固过程组织演变数值模拟

摘要

铝硅合金以其特有的综合性能在汽车和航空航天等领域获得了迅猛的发展。但是由于铸造工艺的差别，合金性能差异较大，不同的凝固方式会产生不同的微观组织，从而造成同一成分或不同成分合金之间宏观性能的差异。为了准确的控制合金的宏观性能，需要透彻的了解凝固过程中微观组织的演变过程，从而制定出合理的工艺方案，但凝固组织受到多个外在因素（冷却速度、合金成分等）的综合影响，通过实验探究微观条件下单个因素对合金组织形貌的影响较为困难。而作为实验的有效补充，数值模拟技术限制条件较少，可以较好的重现合金凝固过程中微观组织的演变过程，从而大幅缩短实验周期。
　　本文以元胞自动机(CA)方法为理论基础，在Visual Studio2010MFC平台，利用C++语言进行编程，分别建立了铝硅共晶、初生铝枝晶以及初生硅的形核生长模型。首先对于铝硅共晶组织，根据其生长的特点，本文采用交叉形核的形核机制，并通过实验和模拟结果的对比确定了不同过冷度下，交叉形核模型中临界形核浓度值的变化规律，在此基础上，得到了共晶铝硅合金的凝固模型;对于初生铝，通过引入各向异性函数和偏心算法，得到了初生铝的生长模型;对于初生硅，本文通过分析八面体初生硅的生长方式和引入适用于二维空间下初生硅生长的界面捕获规则建立了对应八面体初生硅的二维平面初生硅的生长模型。
　　利用得到的共晶铝硅合金凝固模型模拟了Al-13Si（近共晶成分）的凝固过程，再现了铝硅共晶组织的生长演变过程;将建立好的初生铝枝晶生长模型和共晶铝硅合金凝固模型进行耦合，得到了亚共晶铝硅合金的凝固模型，利用该模型模拟了Al-10Si中初生铝枝晶和铝硅共晶的生长演变过程;同理，将初生硅生长模型与共晶铝硅合金凝固模型进行耦合，建立了过共晶铝硅合金的凝固模型，利用该模型模拟了Al-15Si和Al-20Si的凝固过程，再现了初生硅和铝硅共晶的生长演变过程。其次，通过设计楔形模具，研究分析了冷却速度对Al-10Si、Al-13Si和Al-20Si凝固组织的影响;通过设计圆柱形模具，选取Al-15Si和Al-20Si合金作为研究对象，探究了硅含量对初生硅形貌的影响。将实验观察到的微观组织形貌与模拟结果进行对比，证明了模型的准确性。

目录

声明

摘要

1．1 选题背景及意义

1．2 Al-Si合金微观组织特点

1．3 微观组织数值模拟研究现状

1．3．1 确定性方法

1．3．2 蒙特卡罗方法

1．3．3 相场法

1．4 元胞自动机模型原理及发展现状

1．5 本文研究内容

2．1 研究路线

2．2 CA凝固模型

2．2．1 形核模型

2．2．2 温度场

2．2．3 浓度场

2．2．4 生长模型

2．2．5 界面捕获规则

2．2．6 时间步长

2．2．7 边界条件

2．3 实验方法

2．3．1 实验材料及仪器设备

2．3．2 实验模具设计

2．3．3 合金配比和浇注

2．3．4 金相试样的制备与分析

3．1 引言

3．2 实验结果

3．2．1 温度曲线

3．2．2 共晶Al-Si组织形貌

3．3 共晶铝硅合金凝固模型

3．3．1 共晶形核模型

3．3．2 浓度场

3．3．3 温度场

3．3．4 生长模型

3．3．5 界面捕捉规则

3．3．6 模拟结果与讨论

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 实验结果

4．2．1 温度曲线

4．2．2 亚共晶Al-Si组织形貌

4．3 初生Al枝晶生长模型

4．3．1 浓度场

4．3．2 温度场

4．3．3 生长模型

4．3．4 界面捕获规则

4．3．5 模拟结果与讨论

4．4 亚共晶铝硅合金凝固模型

4．4．1 模拟计算顺序

4．4．2 模拟结果与讨论

4．5 本章小结

5．1 引言

5．2 实验结果

5．2．2 Al-20Si组织形貌

5．2．3 硅含量对初生硅形貌的影响分析

5．3 初生硅生长模型

5．3．1 浓度场

5．3．2 温度场

5．3．3 生长模型

5．3．4 界面捕获规则

5．3．5 模拟结果与讨论

5．4 过共晶Al-Si合金凝固模型

5．4．1 模拟计算顺序

5．4．2 模拟结果与讨论

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 论文不足和展望

参考文献

致谢

附录