用捕获液态改进的相场方法模拟三维枝晶生长

采用相场方法模拟纯物质三维枝晶生长，在不改变相场模型的条件下，提出界面捕获液态计算方法，赋值计算单元界面标志，只对界面处的单元求解相场变量，当枝晶生长时，捕获液态单元为界面从而推进界面，并对捕获到的单元校正相场变量，论证了该方法的有效性和正确性，通过液态捕获方法加速相场模型的计算，使单晶粒三维枝晶生长模拟在个人微机上实现，计算昌生长形态及枝晶尖端生长速度，计算结果表明该方法可行。     

用相场方法模拟二维枝晶生长

最近的十年中 ,铸件凝固过程的数值模拟取得了很大的进展 ,并逐步应用到实际生产中。特别是近年来 ,微观组织的数值模拟也取得了成功。一般来说 ,微观组织的数值模拟方法主要有三种 :确定性方法 ,概率方法以及最新的直接微观组织模拟方法—相场方法。本文对这些方法进行了回顾。确定性方法和概率方法二者都是用于模拟多个晶粒的生长过程 ,相场方法则是模拟一个枝晶的生长过程。大多数情况下 ,金属材料的力学性能主要取决于凝固期间所形成的微观组织。最近的研究发现 ,影响金属材料力学性能的决定因素不仅取决于晶粒的大小 ,更主要取决于晶粒内枝晶的细化程度、疏松、夹杂以及显微偏析的分布。枝晶是晶体生长的一种主要类型 ,通常发生在铸造和焊接过程中。在工程材料中 ,枝晶的形貌决定材料的最终性能 ,如裂纹、抗腐蚀性、屈服强度及韧性。所以 ,掌握和控制凝固过程的枝晶生长是获得理想产品的关键。相场方法是模拟一个枝晶生长的新方法。它是由引入的新变量—相场 Φ(r,t) 而得其名 ,相场是一个序参量 ,表示系统在时间和空间的物理状态 (固态和液态 )。相场理论以Ginzburg—Landau相变理论为基础 ,通过微分方程反应扩散、有序化势及热力学驱动力的综合作用。相场方程的解可以描述金属系统中固液界面的状     

枝晶生长的相场法模拟

采用相场法模拟了等温过程中枝晶长大过程。结果表明:晶粒经历了由球形经星形向复杂枝晶转变的过程;过冷度的增加使晶粒的生长速度增加。利用本模型成功模拟出各种不同择优取向的枝晶生长形貌。     

相场法模拟纯金属枝晶生长参数的优化

用相场模型模拟了过冷纯金属枝晶的生长过程,从中得到了光滑枝晶各模型参数的优化值和不同耦合系数下的尖端速率。模拟结果表明,当过冷度和耦合系数较大时,得到侧枝较发达的枝晶;当各向异性系数较大时,得到变异的枝晶。无扰动的情况下,参数选取不合理也会引发侧枝的产生。为了得到光滑的枝晶,各向异性系数应在0.03~0.05范围内,过冷度应在0.55~0.65范围内,耦合系数应根据材料的热物性参数确定。     

铸铝枝晶生长的相场法模拟

简介了相场方法,利用相场法对纯铝进行了数值模拟,研究了晶核半径、界面厚度等参数对晶粒形貌的影响。模拟结果与实验结果基本吻合。表明相场方法符合枝晶生长的物理机制。     

过冷金属熔体中枝晶生长的相场法模拟

采用相场模型和有限差分法，模拟了过冷金属熔体的枝晶生长，系统研究相场模型中相场和温度场耦合系数（λ）、热扩散系数（DT）以及界面原子运动时间参数（T0）对枝晶形貌的影响。模拟结果表明，随着相场和温度场耦合系数的增大，晶粒形貌由紧实枝晶向海藻态转变；随着热扩散系数和界面原子运动时间参数的增大．晶粒形貌由光滑枝晶向紧实枝晶转变。     

相场法模拟铸铝凝固过程的枝晶生长

利用相场法对纯铝进行了数值模拟,研究了晶核半径、界面厚度等参数对晶粒形貌的影响.模拟结果与实验结果基本吻合.表明相场方法符合枝晶生长的物理机制,模拟结果接近实验结果.     

用相场法模拟纯铝的枝晶生长

利用相场法微观组织数值模拟技术,对纯铝物质的枝晶生长过程进行了仿真.研究了初始晶核半径、空间步长和各向异性对纯铝枝晶生长的影响.通过计算结果表明,在保证初始晶核半径不被熔化前提下,初始晶核半径不影响枝晶形貌;空间步长取值应在0.2d0～0.6d0范围内;各向异性趋于增大枝晶尖端生长速度,减小枝晶尖端半径.     

过冷熔体定向凝固过程枝晶生长的相场法模拟

利用二元合金相场模型与溶质场进行耦合计算，以Al-4．5％Cu合金为例模拟了二元合金定向凝固的枝晶生长过程。研究了不同过冷度下二元合金过冷熔体定向凝固时枝晶的演化过程及其溶质场的分布情况。结果表明：利用相场模型可以逼真地模拟枝晶的生长过程，以及界面形貌从平界面向柱状晶生长的转变，可再现枝晶演变过程中相互之间的竞争生长和熔合现象。     

相场法模拟对流对枝晶生长的影响

基于Tong相场模型发展得到的单相场控制多晶粒相场模型,采用相场、流场及温度场三场耦合的方法,对纯镍凝固过程中的枝晶生长进行了数值模拟.时比研究了有无对流情况下,单个枝晶不同择优取向的枝晶形貌和枝晶尖端生长速度;模拟了多个晶粒的竞争生长,再现了凝固过程中的枝晶生长过程.     

相场法模拟丁二腈枝晶生长研究

基于相场方法对纯物质的凝固,进行了二维数值模拟.以丁二腈（SCN）为例,展示了界面形貌的演化过程,研究了相场参数对枝晶界面形貌的影响.结果表明,随着各向异性值的增加,晶核由一圆核逐渐发展为发达的枝晶,当γ=1/15时与γ=0一样,晶核生长为一圆核;随着过冷度的增大,二次枝晶出现并长大,枝晶的稳态尖端速度呈递增趋势,且增加趋势明显加快;随着耦合系数的增大,枝晶稳态尖端速度呈递增趋势,且耦合系数越大,界面的稳定性越差.     

用相场方法模拟铝合金枝晶生长形貌

采用相场方法对枝品的生长形貌进行了模拟计算，数学模型中包含了相场控制方程、溶质守恒方程以及能量守恒方程，其中枝晶的形貌由相场变量控制。模拟结果与实验结果基本吻合，同时由于相场方法更符合枝晶生长的物理机制，因而相场的模拟结果比CA模拟结果更接近实验结果。     

相场法模拟铝合金凝固过程的枝晶演变

本文基于Ginzberg-Landau理论,发展了一个改进的二元合金相场模型.并利用该相场模型与溶质场进行耦合计算,以Al-4.5%Cu合金为例模拟了二元合金等温凝固的枝晶演变过程.实现了逼真地模拟二元合金凝固过程的等轴枝晶演变,得到了二次或更高次晶臂生长等复杂的枝晶形貌.溶质场分布由枝晶生长过程所决定,枝晶初生晶臂中心的溶质浓度最低,在被二次晶臂包围的界面区域的溶质浓度最高;固溶界面区域具有较大的溶度梯度,其中枝晶尖端的梯度最大.相场法模拟计算得到的Peclet数的值与Lvantsov理论计算值吻合较好,从而验证计算结果的正确性.     

各向异性对过冷熔体中枝晶生长影响的相场法模拟

文中采用二元合金的等温相场模型，通过在相场参数中引入界面能各向异性强度参数，以A1-4．5％Cu合金为例模拟了各向异性强度对二元合金凝固过程的枝晶生长的影响。结果表明：各向异性强度小时，枝晶形貌呈海藻态，随着各向异性强度的增大，枝晶形貌从海藻态向枝晶态转变，主枝不再分叉，成为光滑枝晶，枝晶尖端生长速度增大，曲率半径减小并逐渐趋于定值，同时模拟的结果与经典枝晶生长理论相吻合。     

相场法模拟对流作用下铝合金的枝晶生长

基于现有二元合金纯扩散相场模型,建立了耦合流场和溶质场的相场模型,采用有限体积法和有限差分法对控制方程进行数值求解,模拟了对流作用下二元合金等温凝固过程中枝晶的生长,研究了过冷度对枝晶生长形貌和溶质场的影响,分析了枝晶主轴中心方向的溶质分布.结果表明:过冷度越大,枝晶的生长速率越快,固液界面前沿溶质扩散层越薄,溶质梯度越大.     

纯Ni枝晶生长过程的相场法数值模拟

采用凝固过程相场模型,对纯Ni过冷熔体中的枝晶生长过程进行了计算模拟,研究了各向异性强度、过冷度、扰动等对枝晶生长的影响.结果表明:随着各向异性强度的增大,枝晶尖端生长速度加快,枝晶结构特征愈加明显;随着过冷度的增加,枝晶尖端稳定性遭到破坏,甚至出现分叉;扰动会促发侧向分枝的形成,但不影响枝晶尖端的稳态生长行为.     

用相场方法模拟纯物质的枝晶生长

相场方法以Ginzburg Landau相变理论为基础，通过微分方程反应扩散、有序化势及热力学驱动力的综合作用。本文采用相场模型模拟了纯物质凝固过程的等轴枝晶的演化和枝晶的形貌，并针对金属镍进行了二维数值模拟，计算了过冷熔液中的枝晶生长。在相场方程中采用均匀网格的显示有限差分方法求解。模拟结果显示了枝晶的形貌和生长过程．包括一次臂和二次臂，以及枝晶生长过程中出现的生长竞争和“缩颈”现象。     

合金过冷熔体中枝晶生长的相场法研究进展

相场法作为一种模拟晶粒长大的有效方法,是目前国内外研究的热点。对铸件的凝固组织进行数值模拟,有利于深入理解凝固组织形成机制,预测铸件的凝固微观组织,优化铸件的工艺。概述了目前国内外三维晶粒微观组织数值模拟的研究进展、相关基本原理和模型,以及在模拟过程中常用的计算方法,提出了相场模型在微观组织模拟中存在的主要问题以及今后的发展方向。     

相场模型参数对枝晶形貌的影响

定量研究了相场模型中过冷度、温度对相场的耦合系数、各向异性系数等参数对晶粒形貌的影响，讨论了不同枝晶形貌和海藻状形貌的产生和转化，研究了生长速度与晶粒形貌及相场参数的联系，分析了枝晶生长尖端的分叉及边枝的产生原理。     

相场法模拟Al-4.5%Cu枝晶生长参数的优化

用相场法模拟了Al-4.5%Cu合金的等温枝晶生长过程,分析了网格尺寸、各向异性强度和界面厚度对枝晶生长过程的影响.计算结果表明:随着网格尺寸的减小,二次枝晶臂发达、枝晶尖端光滑;较低的各向异性会削弱枝晶生长的方向性,而较大的各向异性则导致误差噪声;界面厚度增加,则在二次枝晶臂上产生侧枝,但较小的界面厚度枝晶的生长服从于尖锐界面条件.本文给出了各参数的优化值.