铁碳合金凝固过程微观溶质偏析模型分析

为了选择正确的微观溶质偏析模型研究铁碳合金的凝固过程,利用Thermo-Calc商业软件计算了不同碳含量下铁碳合金的固相线温度、液相线温度和碳的平衡分配系数,利用数值方法研究了不同微观溶质偏析模型下铁碳合金的固液界面温度和无量纲液相溶质浓度.数值结果表明：文献中常用的碳平衡分配系数不准确;C lyne-Kurz模型和Sche il模型不能准确地预测固液界面温度,B rody-F lem ings模型不能正确地预测碳偏析,建议采用杠杆模型和大中逸雄模型计算铁碳合金凝固过程的微观溶质偏析.     

非平衡固/液界面的稳定性判据

本文根据固液界面溶质非平衡分配的实验现象[1-5],首次分析了溶质非平衡分配对凝固理论中最简单而又具有特别重要意义的成分过冷理论的影响。提出固液界面偏离平衡的程度可以由界面过冷度△T=△T_k+△T_n来表示,其中△T_k是动力学过冷度,△T_n是溶质非平衡分配造成的附加界面过冷度。三十多年来冶金学界和物理学界广泛接受的一个重要概念,即平界面失去稳定性是界面前液相中存在成分过冷区的结果,本文已指出其错误,并指出凝固驱动力沿界面前进方向增大是平界面形态不稳定性的真正原因。从这个原理出发,完全不需要界面局域平衡假定,导出了与传统的成分过冷理论关于平界面稳定性的判据在形式上完全相同的新判据G/V≥mC_0(k—1)/kD其中仅仅是用实际溶质分配系数k取代了平衡溶质分配系数k_0。这个新判据得到了Al-C_u合金实验[1]的支持。     

元胞自动机法模拟Al-4．5mass％Cu枝晶生长

通过引入溶质再分配、溶质扩散、界面能各向异性和界面曲率,构建了描述合金凝固微观组织形态演变的2D元胞自动机模型。并用该模型研究了Al-4.5mass%Cu合金凝固过程中树枝晶长大过程。结果表明:该模型较好地描述了枝晶生长、晶间和枝晶偏析。凝固过程中的溶质再分配直接影响着树枝晶的生长形貌和微观偏析形成。成份过冷是液/固界面失稳的主要原因,激发二次晶或三次晶产生。二次晶生长是相互竞争的过程,在成分过冷和曲率过冷作用下,二次晶根部溶质富集程度大,出现明显的"颈缩"。在枝晶生长过程中,枝晶间会形成小范围、高溶质浓度的孤立液体区域,形成晶间偏析或点偏析,树枝晶形貌对晶间偏析程度影响较大。在各枝晶臂上,先凝固部分溶质浓度较后凝固部分溶质浓度低,并且中心溶质浓度较边缘处溶质浓度低,形成枝晶偏析,枝晶偏析在枝晶的亚稳态生长阶段更显著。     

基于元胞自动机法的铝合金定向凝固过程微观组织数值模拟

基于溶质扩散和界面能的作用,考虑成分过冷、曲率过冷和界面能各向异性和界面扰动,并改进了溶质再分配的算法以及界面液相浓度偏导数的离散格式,建立了凝固过程中晶体的生长模型。利用此模型并采用元胞自动机方法对铝合金定向凝固过程中的平界面、胞状和枝晶状三种典型界面形貌演化进行了模拟,并把模拟参数和模拟结果与经典凝固理论进行了比较,发现在G/V值略小于成分过冷判据给出的临界值时就已经获得平界面。并验证了平均一次枝晶间距与温度梯度和抽拉速度的变化关系,与理论结果吻合较好。     

Al—Cu 二元合金在非平衡凝固时界面处溶质分配对平衡的偏离

本文考察了 Al—Cu 合金凝固体系液固界面自发地由非平衡态向平衡过渡的过程;并研究了冷却速率对开始结晶时溶质分配的影响。结果表明,随着在结晶温度保温时间的延续,表征着实际溶质分配系数 K 对平衡偏离程度的 lnK/K_0值以指数规律衰减并趋近于零。同时还发现随凝固过程冷却速率的增加实际溶质分配系数 K对 K_0的偏离加大。     

液固界面滞后对凝固初始过渡区溶质再分配的影响

实际定向凝固过程中,当改变外加速度或凝固刚开始时,液固界面并不是立即跟上外加速度,而是存在一种滞后效应。本文在采用一些近似假设的基础上,研究了这种滞后效应对定向凝固过程初始过渡区溶质再分配的影响,得到一个新的初始过渡区溶质分布公式,证明Tiller的经典结果只是本文结果当△T_0/G→0时的极限情况。理论计算结果还表明,液固界面实际速度对外部控制速度的滞后效应将使凝固初始过渡区溶质分布趋于稳态所需时间和距离增长;不仅外部控制速度V_0和分配系数k,而且温度梯度G,合金平均成分C_0和液相线斜率m都会影响初始过渡区溶质再分配过程,其影响以V_0最大,k、D_L次之,G,C_0,m最小。     

基于剪切平面与磨损平面的磨削淬硬热量分配比研究

磨削淬硬技术利用磨削热对工件表层进行表面热处理,磨削热和工件温度场分布均是影响磨削淬硬技术的关键因素,本文基于单颗磨粒对热源产生位置进行了分析,忽略在磨粒与磨屑界面产生的热量,考虑磨屑-工件界面和磨粒-工件界面热源,建立了磨削淬硬热量分配比模型,并利用有限元分析和实验的方法对建立的热量分配比模型进行了验证.     

Al_2O_3／Al－4Wt％Cu复合材料凝固时溶质传输及其对界面的影响

根据金属凝固过程中的守恒定律和传输原理，建立了Ａｌ２Ｏ３／Ａｌ－Ｃｕ复合材料凝固对溶质传输的数学模型．利用所建立的模型，对Ａｌ２Ｏ３／Ａｌ－４Ｗｔ％Ｃｕ复合材料凝固过程中的温度和成分分布以及凝固进程进行了数值模拟．研究了复合材料凝固时的溶质传输以及对纤维／基体界面的影响，讨论了溶质在界面富集的原因．     

共晶生长的溶质扩散解

为解决经典共晶生长模型中三相交界线处成分偏离共晶点成分的问题,引入了三相交界线动力学条件,得到了平界面生长条件下化学计量化合物-化学计量化合物(SC-SC)型共晶系溶质扩散方程的精确解.基于平均溶质守恒假设得到了适用于任意凝固条件、共晶系和共晶相图的溶质扩散方程的通解.CuZr-Cu5Zr8共晶系的计算结果证实了溶质扩散方程通解的有效性.     

CA法模拟各向异性和Gibbs-Thomson参数对枝晶生长的影响

基于溶质扩散和界面能的作用,考虑成分过冷、曲率过冷、界面能各向异性和界面扰动等因素,建立了单个枝晶的生长模型.应用该模型将有限体积法与元胞自动机相结合,对Al-4%wtCu合金的枝晶生长过程进行了计算机模拟研究.结果发现:界面能各向异性和Gibbs-Thomson参数对枝晶的形貌和生长速度有着重要影响,随着Gibbs-Thomson系数和各向异性强度的减小,枝晶臂沿优先生长方向出现分裂,且生长速度也随之减小.