焊接熔池快速凝固过程的微观组织演化数值模拟

基于晶粒形成原理和枝晶生长动力学特点,建立了焊接熔池凝固过程中的形核、枝晶生长、溶质再分配及扩散的二维数学物理模型,对焊接熔池快速凝固过程中柱状晶向等轴晶的转变以及不同的冷却速度对这一转变过程的影响进行了模拟.结果表明,焊接熔池在快速冷却凝固过程中,溶质再分配与扩散明显;柱状晶向等轴晶转变时,熔池中心等轴晶凝固排出的溶质使柱状晶尖端浓度急剧升高,抑制了柱状晶的生长;冷却速度越大,柱状晶越容易向等轴晶转变,且转变所需时间越短.     

Fe-C合金焊接熔池凝固过程CET转变的数值模拟

基于元胞自动机方法建立了枝晶生长的数值模型,应用该模型模拟了Fe-C合金焊接熔池凝固期间柱状晶向等轴晶(CET)转变过程中枝晶生长形貌与溶质浓度分布状况. 模拟过程主要考虑不同扰动振幅和冷却速率对柱状晶向等轴晶转变的影响. 结果表明,随着时间步长增大,晶粒数逐渐增多,最终趋于稳定值;当冷却速率增加时,生长速度增大,枝晶生长的越充分,显微偏析越严重,而CET转变所需时间越短;当扰动振幅增大时,一次枝晶生长的越细,二次、三次枝晶竞争越激烈.     

铝合金连续铸造过程CET位置判据的研究

柱状晶向等轴晶转变(CET)是在一定的凝固过程中必须控制的一种显微组织转变.本文针对铝合金连铸坯凝固过程中柱状晶向等轴晶的转变,综合运用了正交试验研究、数值模拟计算、数学拟合等方法,分析了连铸过程主要工艺因素拉坯速度、一冷水量、二冷水量和浇注温度对连铸坯凝固过程中柱状晶向等轴晶转变位置的影响,提出了柱状晶向等轴晶转变的转变位置判据,即当连铸坯某一位置处的固相率等于0.3时,温度梯度G与冷却速度R满足函数关系G0.8072/R=0.469时,在该位置处将发生柱状晶向等轴晶的转变.     

Ti-Al合金定向凝固柱状/等轴晶转变的数值模拟

采用基于溶质扩散控制模型CA方法,对Ti-Al合金定向凝固过程中柱状晶/等轴晶转变过程进行了数值模拟。模拟结果表明,温度梯度、抽拉速度对柱状晶/等轴晶转变影响定性地符合Hunt解析解。横向晶核间距影响比纵向大;形核过冷度增加,柱状晶/等轴晶转变推迟;柱状晶间距不仅与温度梯度、抽拉速度有关,而且可通过激活预置晶核使其生长为柱状晶而得以调整,特别是温度梯度在30～50K/mm之间,形核有较强的调节柱状晶间距的作用。     

电磁搅拌下Cr钢柱状晶向等轴晶转变准则(一)

在枝晶破碎理论基础上,分析了电磁搅拌强度及合金元素铬含量对钢凝固组织的影响。对柱状晶向等轴晶转变(CET)的准则进行讨论。得到线性电磁搅拌下的铬钢铸坯表面到中心的距离与晶粒大小、二次枝晶、冷却速度的关系。得到等轴晶比率和铬含量关系,发现本实验范围高Cr含量对等轴晶比率影响明显。     

Ti-Al合金定向凝固过程中胞/枝晶间距选择的计算机模拟

利用溶质扩散控制模型对Ti-Al合金定向凝固初始阶段变速冷却过程中胞/枝晶转变过程进行了数值模拟。在给定的冷却速率下,枝晶臂间距大于胞晶臂间距,而在过渡区,枝晶间距达到最大。另外,模拟结果也显示,晶核数量对柱状晶间距产生影响,随着植入晶核数量的增加,柱状晶间距非均匀化程度明显减小。出现过渡区的原因与枝晶生长所引起固/液界面前沿成分波动有关。模拟与试验结果吻合较好。     

Al-4.5Cu柱状晶的顺流生长

利用自行研制的电磁泵驱动液流定向凝固装置,在给定冷却条件下,系统地研究了液相流动对Al-4.5Cu合金柱状晶生长方向的影响。发现：低生长速度区,柱状晶以胞状生长方式顺流偏转;高生长速度区,柱状晶以枝晶方式生长,随液流速度由小增大,经历了等轴晶生长、迎流生长、近垂直生长及顺流生长四种变化。     

Numerical simulaton of cellular/dendritic transition and its growth during unidirectional solidificationin of Ti–Al alloy

采用基于溶质扩散控制模型CA方法对Ti44Al合金定向凝固初始阶段变速冷却过程中胞/枝晶转变过程进行了数值模拟.模拟结果表明,在胞/枝转变过程中,存在胞-枝混合生长区,在一些胞晶相邻面无二次枝晶生长.在给定的冷却速率下,枝晶臂间距大于胞晶臂间距;而在过渡区,枝晶间距达到最大.另外,晶核数量对柱状晶间距产生影响,随着植入晶核数量的增加,柱状晶间距非均匀化程度明显减小.出现过渡区的原因与枝晶生长所引起固/液界面前沿成分波动有关.模拟与实验结果吻合较好.     

电磁搅拌下低合金钢柱状晶向等轴晶转变准则(一)

在枝晶破碎理论基础上,讨论了电磁搅拌强度及合金元素碳、锰含量对钢的凝固组织的影响,以及柱状晶向等轴晶转变(CET)的准则。得到线性电磁搅拌下的锰低合金钢铸坯表面到中心的距离与晶粒大小、二次枝晶间距、冷却速度的关系,得到等轴晶比率和碳含量关系。研究发现,本实验范围的Mn含量的增加对等轴晶比率影响不明显,C含量的变化是主要的因素。     

电磁驱动熔体流动与枝晶变形断裂模拟

建立了电磁离心凝固过程熔体动量传递、传热和传质耦合数学模型，模拟计算了熔体在不同感应强度下的流动速度。计算结果表明，熔体在电磁力的作用下产生与铸模转动方向相反的流动，流动速度呈周期性分布，并且在凝固前沿达到最大，随着磁感应强度的增加，熔体流动速度达到的最大值也愈大，使用有限元软件ANSYS，把熔体流动计算结果作为参数，计算了枝品的受力状态，通过计算表明，熔体流过枝晶会在枝晶周围产生很大的速度变化，流体对枝晶的冲刷可使枝晶产生机械折断，电磁搅拌通过增加断裂枝晶数量促进柱状晶-等轴晶转变。     

不同冷速下Mg_2Si生长方式的转变及转换点计算

研究了不同冷却速度下铝合金熔体中Mg2Si的生长特征。结果发现,在常规凝固条件下,当凝固速度较慢时初生Mg2Si呈现为等轴晶;随着凝固速度增加,由等轴晶转变为树枝晶,晶体尺寸有所减小,但是树枝晶明显变长;进一步增加常规条件下的凝固速度,初生Mg2Si相尺寸更加细小,但是树枝晶的长度仍然超过了200μm,并以小平面的方式生长。在大过冷度和大冷却速率的条件下,Mg2Si相生长方式却发生了转变,由小平面生长转变为非小平面生长。经过计算,发现临界转换的冷却速率为1.169×106℃/s。     

钴铬镍合金铸造过程的边界条件和胞晶生长

采用ProCAST软件计算和实验对钴铬镍合金真空吸铸充型-凝固转变过程进行了研究.拟合分析了钴铬镍合金浇铸件的温度场和冷却速度规律,利用胞枝晶生长理论对实验结果进行了分析.结果 表明,采用阶梯状铸件较好地拟合了合金铸件的温度分布及冷却速度规律.随着铸件厚度减小和铸件冷却速率增加,过冷度和晶胞生长速度增大,尖端半径减小,...     

基于CA方法的Ti-45Al合金定向凝固过程微观组织模拟

采用CA方法建立了Ti-45Al(at.%)合金定向凝固过程中的组织演变数值计算模型,考虑了二元合金包晶反应过程,对液态金属冷却定向凝固过程中Ti-45Al合金的组织演变进行了模拟。模拟结果表明,定向凝固组织分为初生等轴晶组织、稳定生长的柱状晶以及中间过渡区域3部分,柱状晶一次臂间距随抽拉速度增大而减小。Ti-45Al合金在0.1 mm/min抽拉速度条件下,得到了以初生β相为主的凝固组织,在枝晶间溶质富集处有少量的包晶相析出,与相关试验结果基本一致。     

Al-Cu合金凝固枝晶生长的数值模拟

基于元胞自动机方法构建了枝晶生长数值模型,并将其应用于Al-Cu二元合金凝固过程的模拟。在该模型中,枝晶尖端生长速度模型基于溶质守恒建立。模拟过程中重点考虑不同冷却速率及形核条件对柱状树枝晶形态与溶质偏析的影响。计算结果表明,凝固过程中溶质易于富集在枝晶臂之间的封闭或半封闭区域。同时,随着冷却速率加大,晶界偏析变得更为显著。形核密度在一定程度上影响着枝晶形态,特别是影响着二次和三次枝晶的生长。     

电磁搅拌下Cr钢柱状晶向等轴晶转变准则(二)

在枝晶破碎理论基础上,分析了电磁搅拌强度及合金元素碳、铬含量对钢凝固组织的影响。对柱状晶向等轴晶转变(CET)的准则进行讨论。发现线性电磁搅拌下的CET准则对Cr钢仍然有效。得到了临界固相分率、枝晶间流速和液体平均流速关系。发现铬含量提高使柱状晶向等轴晶转变更难。     

枝晶生长的三维元胞自动机模拟

通过将元胞自动机和有限差分方法相耦合,建立了立方体系金属和合金枝晶生长的三维模型.应用该模型,模拟了Al-Cu合金过冷熔体中自由枝晶的生长和定向凝固条件下Al-Cu合金凝固组织演变过程.模拟结果清楚展现了过冷熔体中自由枝晶的生长过程和定向凝固过程中枝晶的形成与淹没,与理论预测和实验结果相吻合,表明所发展的模型能够较准确...     

三维枝晶生长数值模拟及实验验证(英文)

建立了用于模拟立方晶系合金三维枝晶生长的改进元胞自动机模型。该模型将枝晶尖端生长速率、界面曲率和界面能各向异性的二维方程扩展到三维直角坐标系,从而能够描述三维枝晶生长形貌演化。应用本模型模拟在确定温度梯度和抽拉速度条件下三维柱状晶生长过程的一次臂间距调整机制和不同择优取向柱状晶之间的竞争生长。使用NH4Cl?H2O透明合金进行凝固实验,模拟结果和实验结果吻合较好。     

ULCB钢焊接熔池凝固过程数值模拟

采用元胞自动机法建立ULCB钢焊接熔池凝固过程的宏微观耦合模型,模拟非均匀温度场下焊接熔池凝固过程的组织形貌演变和溶质场分布,分析不同形核参数和合金成分对焊接熔池枝晶形貌的影响。结果表明,熔池边缘形成柱状晶,熔池中心形成等轴晶,柱状晶和等轴晶相互抑制长大;枝晶生长过程中始终存在着枝晶偏析现象;形核密度和合金成分影响枝晶的形核和生长,随着形核密度和合金成分的增加,焊缝中等轴晶区域增加,晶粒细化。     

Fe-0.6%C合金凝固过程枝晶生长数值模拟

采用元胞自动机方法,结合合金凝固过程中的动量、能量和质量传输,建立了计算枝晶形貌与偏析发展的数学模型。把该数学模型应用到Fe-0.6%C合金凝固过程,枝晶臂的生长、粗化和柱状晶向等轴晶转变过程得到了再现。同时该数学模型也描述了凝固过程熔体流动对Fe-0.6%C枝晶形貌发展的影响。     

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。