一种改进的模拟凝固微观组织的宏微观耦合模型

按照复杂性研究思想，将元胞自动机理论和金属凝固理论相结合，建立了模拟凝固微观组织演变的宏微观耦合模型Micros CA-Solidification。与原有元胞自动机模型相比，该模型考虑了溶质再分配和液相中溶质扩散机制，考虑了成分过冷、曲率过冷及界面各向异性对枝晶尖端局部过冷度和界面平衡温度的影响，可较细致地模拟晶粒的结构和形态转变。     

单相合金凝固过程微观组织的三维数值模拟

基于晶粒形核和生长物理过程及热质基本传输过程，建立了单相合金凝固过程微观组织和微观偏析形成及枝晶形貌演化的三维数学模型，模型中考虑了成分过冷．曲率过冷和各向异性等重要因素．数值模拟结果表明，所建数学模型能够合理反映质点形核、晶粒生长和柱状→等轴晶转变物理过程，温度场．溶质场和微观组织形貌的模拟计算结果合理自由枝晶生长过程的模拟结果表明，各向异性强度对枝晶生长和最终组织形貌具有重要影响：强各向异性趋于得到分支发达的树型结构，内部组织为取向平行排列规则的二次枝晶臂簇；而弱各向异性趋于得到表面凹凸不平的近似正八面体结构．模拟结果还证实枝晶内部存在小的孤立熔池，这有助于揭示微观组织中出现点偏析和微观缩松的根本原因．     

基于CA方法的铝合金铸件微观组织的数值模拟

目前数值模拟技术已经成为预测铝硅合金铸件的凝固行为以及微观组织形成演化过程的重要工具.通过建立元胞自动机模型,在其中耦合FT-STAR软件计算的温度场和试验获得的形核参数,模拟了某型号铝硅合金铸件重力铸造条件下枝晶形核以及不同择优取向枝晶的生长过程.使用该模型预测了该铸件凝固过程关键点的晶粒度和二次枝晶臂,与试验结果吻合良好.     

Ag-Cu合金凝固微观组织模拟数学模型

针对Ag-Cu合金在凝固微观组织模拟研究中的不足,研究基于CA(Cellular Automaton)法与宏观传输现象中的温度场、浓度场和流动场耦合,建立了Ag-Cu合金凝固微观组织模拟的宏/微观数学模型.介绍了CA法宏观网格的划分和微观单元温度的确定,以及形核长大过程的计算流程和采用等价比热法处理凝固潜热的方法.     

金属凝固微观组织的相场模拟研究进展

金属凝固微观组织对金属的性能有着决定性的影响,利用相场方法模拟凝固微观组织形成和演化已在国内外取得成功.介绍相场方法的基本原理,综述近年来国内外在这一领域的研究进展,重点介绍相场方法在枝晶生长方面的应用,并指出了进一步的发展方向.     

有外加相存在时Al-Si合金枝晶微观组织的数值模拟

对有外加SiC颗粒(SiCp)的Al-7.0%Si(质量分数)合金熔体凝固过程中球状颗粒与枝晶间相互作用,以及包含颗粒分布的微观组织形成过程进行了模拟研究.在热、溶质守恒的基础上考虑了溶质再分布、界面曲率以及各向异性的影响,并分别对颗粒、固相、液相以及固/液界面进行处理.建立了单个及多个颗粒与枝晶相互作用的数值模型,预测了单个颗粒与凝固界面之间的吞并/推移现象,并研究了颗粒附近枝晶生长的溶质浓度场、速度场以及界面形状,再现了多颗粒与多枝晶相互作用直至最终偏聚到枝晶间的过程.模拟结果表明:颗粒被推移时颗粒与界面的相互作用是一个非稳态的过程,但是在凝固速率较低的条件下可以按照稳态推移的模式进行处理.模拟得到的颗粒分布及微观组织与实验结果吻合较好.     

焊接热影响区晶粒长大过程的微观组织模拟

利用蒙特卡罗方法(MC)结合焊接工艺试验，模拟了单相合金焊接热影响区(HAZ)的晶粒长大过程。文中首先应用试验方法确定了材料的晶粒长大动力学方程，在不同峰值温度和冷却速度等热输入的情况下，模拟结果再现了晶粒长大的动态过程，并体现出热钉扎效应。得出了与焊接实际过程相一致的模拟结果。为以后进行三维焊接热影响区晶粒长大模拟奠定了可靠的基础。     

CuFe合金微观组织中的枝晶生长

研究了含铁20%、30%和40%的Cu-Fe包晶合金微观组织中的富Fe枝晶生长行为.结果表明,过冷液相的传热能力影响微观组织中枝晶的分布.当传热能力较强时,枝晶的分布较为均匀,枝晶的大小差别较小;反之,则枝晶分布不匀,且尺寸差别较大.对于溶质含量较低的合金,微观组织中枝晶分布的随机性与浓度起伏的不确定性有关.在溶质富集微区的过冷液相中容易产生枝晶晶核.随着溶质Fe含量的增加,单位面积上富Fe枝晶所占的比例、枝晶分枝的层次、枝晶分枝长度和密度都明显增加,而分枝的直径增加较少.溶质富集主要影响枝晶的侧向生长,而枝晶尖端的生长受溶质富集的影响较小.     

凝固微观组织数值模拟的研究进展

介绍了主要的凝固微观数值模拟方法，评述了铸件凝固微组织数值模拟的研究现状，指出了该领域目前面临的问题和未来发展趋势。     

基于自由能变化的一种新的CA数值模型研究

基于晶体生长过程中的自由能变化,提出了一个新的模型来模拟枝晶生长。在新模型中,晶体生长由固-液界面处的自由能差来驱动,采用CA方法来跟踪新的界面单元。相对于KGT模型和溶质扩散型模型,该模型更加适合于难于寻找生长速度函数及生长过程基本无成分变化的晶体如金属间化合物等的微观组织模拟。新模型具有普适性。然后,基于新模型,构建了相应的算法并予以程序实现。在一个算法循环中,以当前计算单元为中心,同时考虑了计算网格中连续三层网格单元的状态-当前生长单元、生长单元的邻居单元、以及这些邻居单元的状态。计算结果与实际情况较为一致。     

采用元胞自动机法模拟凝固微观组织的研究进展

系统论述了元胞自动机(CA)方法模拟凝固微观组织的原理,同时介绍了这种方法在国内外的研究现状。实际上,国内外的研究主要经历了从晶粒结构到枝晶结构,从二维到三维、从没有流场到包含流场的逐步深入的发展历程。最后对CA方法的进一步研究方向提出建议,指出CA方法需要进一步完善现有模拟过程中所采用的生长动力学模型,同时可以将应用范围向半固态凝固领域拓展。     

AZ31镁合金管二辊斜轧穿孔微观组织演变数值模拟分析

提出了一种镁合金无缝管穿孔新方法（二辊斜轧穿孔）,并利用三维有限元分析软件DEFORM-3D对二辊斜轧穿孔过程进行了模拟,分析了穿孔过程中的微观组织演变。结果表明,模拟的微观结构与实验的微观结构具有相同的演变规律,平均晶粒尺寸接近,证明了采用二辊穿孔新工艺穿制AZ31大口径镁合金无缝管的可行性和DEFORM-3D软件模拟结果的可靠性。     

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.     

Al-In难混溶合金的液相分离过程及显微组织数值模拟

建立了一个描述Al In难混溶合金冷却过程中液—液相变区微观组织演化过程的数学模型。该模型综合考虑了第二相液滴的形核、扩散长大、Brownian碰撞和运动碰撞的共同作用 ,并对模拟的结果进行了可视化动态模拟研究。以Al 3 0 %In合金为例进行模拟 ,结果表明 ,第二相在断面上的体积分数、粒子大小及分布与实验结果基本一致。这说明建立的模型对Al In难混溶合金具有一定实际预测功能。     

铸轧镁合金薄带组织演变实验研究与模拟

以镁合金薄带双辊铸轧新技术为背景,开展了铸轧成形过程中组织性能的模拟研究。镁合金薄带双辊铸轧是以液态镁合金为原料,用两个反向转动的水冷铸辊为结晶器,直接制备1．5～3．0mm镁合金薄带的短流程新工艺。对双辊铸轧轻合金薄带的凝固组织演化过程进行数值模拟,用以优化和指导制备技术,具有重要的理论意义和应用前景。项目研究组通过对双辊铸轧过程动态凝固成形的有限元数值模拟研究、镁合金薄带铸轧实验研究以及后续加工过程中的组织演变规律研究,得到了主要工艺参数对铸轧工艺稳定性及组织性能的影响规律。     

铝合金枝晶生长形貌数值模拟研究

采用宏微观耦合方法对铝合金枝晶生长形貌进行模拟计算。由于对整个试样进行微观计算存在困难 ,所以采取的方案是整体计算温度场 ,而微观组织计算则是在试样中心区域选取其中一个单元进行 ,该单元的微观组织模拟被简化为二维计算。采用较大的网格和时间步长Δt计算宏观温度场 ,当选取的单元温度降到液相线以下时 ,在一个宏观时间步长Δt内 ,采用小网格和小时间步长δt对该单元进行微观组织计算 ,宏观、微观计算交替进行。形核过程采用了高斯分布模型 ,生长过程由相场方程来控制。微观区域内的初始温度分布由周围的宏观单元温度插值得到 ,界面过冷包含热过冷、成分过冷和曲率过冷。溶质分布则用混合溶质守恒方程来描述。为了描述二次枝晶的产生 ,在相场模型中引入了噪声。模拟结果与实际浇注的试样的金相结果以及其他学者的结果进行了比较。     

Simulation for microstructure evolution of Al-Si alloys in solidification process

The numerical simulation for microstructure evolution of Al-Si alloy in solidification process is carried out with phase field model. The phase field model, solution algorithm and the program of dendrite growth are introduced. The definition of initial condition, boundary condition and the stability condition of differential format are all included. The simulation results show that the evolution of dendrite morphology is as follows： the initial circle nucleus transforms to the rectangle one firstly, then its corners develop to the four trunks and from which the secondary side branches are generated and even the third side branches are produced from secondary ones. The dendrite tip radius decreases quickly at the initial stage and changes slowly at the late stage, which is mainly due to the fact that more and more side branches appear and grow up. The comparisons of dendrite morphology between simulated results and investigations by others are also presented. It is proved that the dendrite morphologies are similar in trunks and arms growth, so the developed phase field program is accurate.     

铸件凝固微观组织数值模拟研究的新进展

列举了铸件微观组织模拟的几种典型研究方法，概述了这几种常用模拟方法近年来的改进与应用状况，简要地对这些方法进行了评述。同时介绍了一种较新的用于单向凝固的模拟方法——3D枝晶胞膜跟踪法，它主要应用于一些对缺陷的存在非常敏感的特殊部件的模拟。指出了铸件微观组织模拟目前面临的问题与未来发展趋势。     

大型锻件淬火组织场数值模拟

运用APDL(ANSYS参数化设计语言)语言对ANSYS进行二次开发,使其在模拟温度场的基础上可以进一步计算组织分布。为验证算法,选取一种贝氏体钢淬火,设定冷速为1℃/min、5℃/min、20℃/min、300℃/min匀速冷却,分别模拟计算组织百分数和制备试样观察相应冷速下的金相组织。结果表明模拟计算的结果和观测的金相组织吻合的比较好。最后采用本程序计算1.5 m大型锻件淬火过程的温度场和组织分布,结果显示这种贝氏体钢水冷却8 h后心部温度小于200℃,冷却结束后心部得到大于90%的贝氏体组织。