含第二相颗粒的晶粒长大过程相场法

第二相颗粒对晶界有很强的钉扎作用,大量第二相颗粒的存在将影响系统正常的晶粒长大过程.本文采用相场法研究了第二相颗粒尺寸大小和体积分数对晶粒长大过程的影响.模拟结果表明第二相颗粒体积分数越大,对晶界的钉扎作用越强,稳态时晶粒尺寸越小.第二相颗粒体积分数达到一定范围时可能发生个别晶粒的异常长大.单个第二相颗粒尺寸越大,其对晶界钉扎作用越强,但当体积分数一定时第二相颗粒尺寸越小,总的钉扎效果越强,最终系统的晶粒尺寸越小.通过相场模拟获得了极限晶粒尺寸与第二相颗粒参数的定量关系,相场模拟结果与实验结果和Monte Carlo 模拟结果相符合.     

相场方法研究硬质颗粒钉扎的两相晶粒长大过程

采用相场方法模拟第三相颗粒钉扎的两相耦合的晶粒长大过程,系统地研究了第三相颗粒体积分数和尺寸大小对两相晶粒长大过程的影响.模拟结果表明,第三相颗粒体积分数越大,对晶界的钉扎作用越强,且极限晶粒尺寸越小.单个第三相颗粒尺寸越大,对晶界钉扎作用越强.但当体积分数一定时第三相颗粒尺寸越小时,颗粒数目会越多,此时总的钉扎效果会越好,晶粒极限尺寸也越小.若晶粒长大系统同时引入两种不同大小的第三相钉扎颗粒,且两种颗粒所占比例相同时,钉扎效果最好.相场方法模拟所得到的二相多晶材料晶粒组织演化规律和晶粒生长指数、晶粒形态、生长动力学和拓扑结构特征与已有实验和理论结果相符合.     

相场法模拟多个空间取向的棒状第二相粒子对晶粒长大的影响

采用相场法研究多个空间取向的棒状第二相粒子以及圆形第二相粒子对基体晶粒长大的影响.结果表明:在晶粒长大过程中,绝大部分棒状第二相粒子位于晶界处并与晶界方向一致,圆形第二相粒子大多位于三晶交点处;第二相粒子表现出强烈的钉扎晶界的作用,极限晶粒半径可以用Zener关系表示;在第二相粒子面积分数和粒子尺寸相同的情况下,当第二相粒子面积分数较小(＜5%)时,棒状与圆形第二相粒子对晶粒长大的钉扎作用没有明显差别;当粒子面积分数较大(＞5%)时,棒状第二相的钉扎效果好于圆形第二相的钉扎效果.     

相场法模拟球形和盘形第二相粒子对晶粒长大的影响

利用相场法模型,模拟研究含不同尺寸和面积分数的球形和盘形粒子的二维系统中晶粒的长大特征,揭示第二相粒子对晶粒长大的影响规律.结果表明:初始阶段晶粒长大符合长大指数n 为0.3～0.4的指数长大规律,其n与系统单位面积所含的粒子数量密切相关;晶粒长大过程中绝大多数粒子位于晶界处,其最终的平均晶粒半径可以用Zener关系表示;当粒子尺寸和面积分数一定时,粒子的形状对晶粒的长大过程没有明显影响.     

晶粒生长拓扑学的相场法模拟

基于金兹堡-朗道理论,采用连续相场模型,研究了晶粒生长的拓扑学。结果表明,晶粒生长过程中存在两种拓扑转变机制,即近邻切换机制和晶粒消失机制;发现三边晶粒、四边晶粒、五边晶粒直接消失以及晶粒近邻切换现象,符合经典拓扑公式和欧拉公式,模拟结果与实验结果吻合。研究还发现了新的拓扑转变机制,四叉点直接分离,这种拓扑转变与经典欧拉公式存在差异。     

相场法模拟不同形状的硬质颗粒对两相晶粒长大的影响

采用相场方法研究了不同颗粒体积分数及尺寸条件下不同形状的硬质颗粒对两相系统晶粒长大的影响,结果表明:球形颗粒大多处于三角晶界处,片状颗粒处于晶界处且沿晶界分布.不同形状的硬质颗粒对体积占优的α相晶粒长大无明显影响,对体积分数较小的β相晶粒长大的影响主要取决于颗粒数目.颗粒数目较少时,不同形状的硬质颗粒对β相晶粒长大无明显影响;颗粒数目较多时,片状颗粒比球形颗粒对β相晶粒长大的阻碍作用强烈.颗粒体积分数越大,颗粒对晶界的钉扎作用越强,稳态时晶粒的半径越小;颗粒尺寸越大,单个颗粒对晶界的钉扎作用越强,但总的钉扎作用越弱,稳态时晶粒的半径越大.     

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.     

相场法模拟凝固过程中界面效应对晶粒形核的影响

采用连续相场模型对晶粒形核过程进行模拟,从动力学角度考虑,引入类似于纳米颗粒的界面效应,分析它对形核过程的影响;同时研究形核过程中晶核的析出、形核数目变化、晶界厚度变化以及晶核生长的特点。结果表明,界面效应为形核过程提供驱动力,促使晶核的快速长大;形核过程中晶核数目随时间逐渐增多,晶核尺寸逐渐增大,晶核生长速度较快,同时晶粒位向取向参数的变化反映了晶粒尺寸和晶界厚度的变化。     

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。     

对流速度对多晶粒生长影响的相场法研究

基于耦合流场的相场模型,采用有限差分法对纯镍凝固过程中多晶粒枝晶生长过程进行模拟,研究了不同对流速度对纯镍多晶粒枝晶生长的影响。结果表明:无强制对流时,枝晶主干光滑无侧向分支产生;有强制对流时,上游枝晶生长受到促进,下游枝晶生长受到抑制,受熔体流动和晶粒间相互影响,枝晶形貌不再对称。随着对流速度的增加,上游枝晶生长加快,流动诱发侧向分支,形成发达的分支结构。中心晶粒上游枝晶尖端生长速度先减小后增大至稳态,最后停止生长。     

相场参数对多元合金凝固过程影响的相场法模拟

利用由二元合金相场模型扩展获得的多元合金相场模型,以Fe-C-P合金为例,研究了各向异性系数和过冷度对合金凝固过程的影响.结果表明:随着各向异性系数的增大,二次枝晶越来越发达,枝晶尖端生长速度增大,且尖端速度波动的幅值增大;随着过冷度的增大,枝晶形貌更成熟,枝晶尖端的曲率半径减小,而枝晶尖端的生长速度呈线性增长趋势,溶质扩散层厚度减小,相应地溶质梯度增大.     

噪声影响凝固微观组织的相场法模拟

采用kim模型,利用耦合溶质场的相场模型,对Al-Cu二元合金的定向凝固过程进行模拟,为了简化计算,采用了温度冻结近似.研究了扰动对固液界面的形态及微观组织演化的影响.结果表明,引入界面扰动,使得固液界面的稳定性受到破坏,界面形态由初始平面转变为胞晶,在胞状生长过程中竞争淘汰是主要的生长方式;随着扰动强度的增加,胞状晶粒细化,界面推进速度增加,界面前沿的溶质扩散层变薄,微观偏析程度减小,溶质截留现象严重.     

凝固过程小晶面枝晶生长的相场法模拟研究进展

基于Eggleston等人提出的小晶面枝晶生长的相场模型,阐述了国内外采用相场法模拟小晶面枝晶生长的研究现状,对不同的模拟结果进行了分析讨论。结果认为,相场模型的取值还存在较大的人为因素,需要设计相对理想、简单并且可以控制的试验,确定相场参数和实际材料及环境参数的精确联系,避免计算的人为因素,保证模拟结果的精确性。     

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.     

二元合金非等温凝固过程的相场法模拟

基于Ginzburg-Landau理论,发展了一个新的相场模型.并利用该相场模型与溶质场、温度场进行耦合计算,以Al-6.5Cu合金为例模拟了二元合金非等温凝固和等温凝固的等轴枝晶生长过程.研究了凝固潜热对过冷合金熔液中的等轴枝晶生长以及溶质场和温度场的分布的影响.结果表明:潜热的释放在一定程度上抑制了枝晶的生长,使非等温凝固时枝晶没有等温凝固时发达,并且凝固界面的溶质浓度也会降低,但不会改变在枝晶生长过程中浓度分布情况.而且非等温凝固时的Peclet数值与Ivantsov理论值符合得更好.     

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.     

Fe-C合金等温凝固过程的相场法模拟

基于KKS模型,采用耦合相场和溶质场的方法,对Fe-0．5mol％C合金凝固过程中的枝晶生长进行了模拟,并研究了过冷度、各向异性强度和扰动强度对枝晶生长形貌的影响。结果表明：随着过冷度的减小,枝晶主干细化,各向异性程度增大,晶粒生长速度减小,溶质扩散层厚度增加,枝晶的最高溶质浓度降低,溶质梯度减小;随着各向异性的增加,晶粒由海藻状转变为枝晶态,枝晶生长速度也随之增大;扰动强度引发了侧向分枝,侧枝间互相竞争生长,根部出现“颈缩”现象,但扰动强度的加入并不改变枝晶尖端的稳态行为。     

定向凝固微观组织的相场法模拟研究进展

定向凝固过程中的界面形态对凝固组织有着决定性作用，相场法可以很好地展示凝固过程界面形态的演化。阐述了二元合金定向凝固相场方法数值模拟的基本原理及国内外研究现状，以Ni-Cu二元合金为例，采用相场法模拟了定向凝固过程中界面形态的演化，并指出该领域目前所面临的问题及进一步的研究方向。