鑄造合金的微觀組織模擬——幾種方法關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、微觀組織數(shù)值模擬的方法主要有：確定性方法、隨機(jī)方法及相場(chǎng)法。其中：確定性方法主要依據(jù)溫度場(chǎng)的分布情況從宏觀角度來(lái)進(jìn)行固液劃分。隨機(jī)方法包括Monte_Carlo法和Cellular Automaton法，基于概率論思想，能較合理地反映出晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的隨機(jī)性。相場(chǎng)法基于“體系總能量總是趨于最小值，熵泛函的變分為零”的思路，在描述非平衡狀態(tài)中復(fù)雜相界面演變時(shí)，不需要跟蹤復(fù)雜固液界面，就可實(shí)現(xiàn)模擬金屬凝固過(guò)程中枝晶生長(zhǎng)的復(fù)雜形貌。微觀組織數(shù)

2、值模擬對(duì)金屬材料的發(fā)展和應(yīng)用有著重要意義，也是計(jì)算機(jī)應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一。 本文重點(diǎn)研究了Monte_Carlo凝固組織模擬方法模型的物理本質(zhì)、數(shù)值計(jì)算方法以及在凝固微觀組織模擬中的應(yīng)用。針對(duì)各向同性等軸晶生長(zhǎng)，利用Johnson-Mehl方程，求解等軸晶生長(zhǎng)Monte_Carlo時(shí)間步長(zhǎng)。本文還研究了各向異性等軸晶生長(zhǎng)的Monte_Carlo時(shí)間步長(zhǎng)的本質(zhì)及其數(shù)值計(jì)算方法；首次導(dǎo)出了Monte_Carlo時(shí)間步

3、長(zhǎng)與生長(zhǎng)概率Pg、網(wǎng)格尺寸Δx、生長(zhǎng)速度v的關(guān)系；并利用求解出的Monte_Carlo時(shí)間步長(zhǎng), 模擬了Al-4.5﹪Cu合金凝固的微觀組織。準(zhǔn)確求解Monte_Carlo時(shí)間步長(zhǎng)，將金屬凝固的宏觀模型和微觀模型結(jié)合起來(lái)，可以反映出液體金屬中的實(shí)際溫度、濃度動(dòng)態(tài)分布情況，從而能夠很好地模擬金屬的凝固組織形成過(guò)程。并采用Monte_Carlo法對(duì)鑄件的凝固過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，解決了模型數(shù)值求解過(guò)程中若干關(guān)鍵問(wèn)題，深入探討了合金凝固過(guò)程的枝

4、晶生長(zhǎng)機(jī)制，為最終實(shí)現(xiàn)鑄件機(jī)械性能的預(yù)測(cè)奠定了良好的基礎(chǔ)。 本文研究并改進(jìn)了二維二元合金等溫相場(chǎng)模型。該模型基于每個(gè)單元中溶質(zhì)的擴(kuò)散及質(zhì)量守恒原則，進(jìn)而求解合金凝固過(guò)程中溶質(zhì)的擴(kuò)散方程，并對(duì)理想化Ni-Cu過(guò)飽和合金液等溫枝晶生長(zhǎng)進(jìn)行了計(jì)算。 本文研究并針對(duì)Cellular Automaton凝固組織模擬方法模型的物理本質(zhì)、數(shù)值計(jì)算方法以及在凝固微觀組織模擬中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。并利用Cellular Automaton凝

5、固組織模擬方法，求解了Al-4.5﹪Cu等軸晶枝晶生長(zhǎng)。差分法計(jì)算具有網(wǎng)格依賴性，針對(duì)不同生長(zhǎng)方向晶粒的處理，在多晶粒計(jì)算時(shí)，需要根據(jù)各晶粒的具體生長(zhǎng)角強(qiáng)化主軸方向生長(zhǎng)。本文也利用Cellular Automaton凝固組織模擬方法，求解了Al-4.5﹪Cu等軸晶多個(gè)枝晶同時(shí)生長(zhǎng)過(guò)程。 論文同時(shí)研究了空間網(wǎng)格尺寸的大小、各向異性強(qiáng)度和隨機(jī)的擾動(dòng)等對(duì)模擬結(jié)果的影響，確定了這些關(guān)鍵參數(shù)的取值。 采用基于均勻網(wǎng)格的有限差分離散

6、控制方程，為了節(jié)省時(shí)間，在網(wǎng)格剖分時(shí)還采用了雙重網(wǎng)格法。數(shù)值計(jì)算時(shí)，為了避免時(shí)間步長(zhǎng)的限制，提高計(jì)算效率，溫度控制方程則采用交替方向隱式算法，大大減少了計(jì)算量，提高了計(jì)算效率。 為了直觀地顯示模擬結(jié)果，研究了凝固模擬的可視化技術(shù)，給出了枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中一些重要參數(shù)的計(jì)算方法?；贛FC開發(fā)了微觀組織模擬結(jié)果的可視化軟件系統(tǒng)，既可實(shí)現(xiàn)以逼真的圖像顯示模擬結(jié)果，又可以方便地實(shí)現(xiàn)與各種模型數(shù)值計(jì)算程序的集成，動(dòng)態(tài)顯示模擬結(jié)果。