纯金属凝固过程的相场方法研究

摘要

利用相场方法这一目前最为有效的凝固微观组织数值模拟技术，考虑界面各向异性和噪声，推导了纯金属枝晶生长纯扩散相场模型和耦合对流效应模型，使用有限差分法对纯扩散相场模型进行算法研究；采用VisualFortran6.0编程语言编制了相场法数值模拟应用程序；并利用ArrayVisualizer软件实现了模拟结果的可视化；成功模拟了过冷纯金属熔体的枝晶生长过程。 具体分析了界面厚度、空间步长取值范围；定量研究了过冷度、各向异性系数、温度场与相场耦合系数对晶粒形貌形成的影响；结果表明，为了得到比较合理准确的模拟结果，界面厚度取值应与过冷度、各向异性系数相关，在满足尖端生长速度稳定的条件下界面厚度取值应尽可能小；空间步长由尖端生长速度和曲率半径的收敛情况来判断，最终选择在不考虑噪声项时取0.4W0，耦合噪声时取0.8W0；随着过冷度的增大，界面逐渐变得不稳定，晶粒形貌由肥大紧实枝晶状→瘦长枝晶状→海藻状变化；各向异性是枝晶状形貌产生的主要原因，较合适的各向异性系数取值为0.02～0.05；耦合系数选取应由材料的热物性参数决定。 在合理选择以上关键参数的基础上，成功模拟了耦合噪声时的枝晶形貌。模拟结果表明：热噪声可以引发侧向分枝，当幅值较小时，不影响枝晶尖端稳态行为，幅值较大时，尖端的稳态行为会受到影响；而界面扰动强度不影响尖端稳态行为。 计算了不同模拟条件下的枝晶尖端生长速度和曲率半径，对其尖端稳态行为进行测定，研究结果与微观可解性理论，Ivantsov理论和临界稳定性理论等经典枝晶生长理论相一致；并以镍为例计算了不同过冷度下枝晶尖端生长速度，与实验值吻合的很好，验证了该模拟的有效性。为相场法准确模拟过冷纯金属熔体的枝晶生长提供了依据。

目录

文摘

英文文摘

第1章引言

第2章凝固界面模型

第3章相场模型

3.1相场方法基本原理

3.2纯金属相场模型

3.3相场模型渐近分析

3.4本章小结

第4章计算方法

第5章纯金属枝晶演化的模拟结果

5.1纯金属枝晶演化的相场及温度场模拟

5.2相场模型参数对枝晶形貌的影响

5.3噪声对枝晶形貌的影响

5.4本章小结

第6章结论与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢