用相场方法模拟Fe-C合金枝晶生长

采用相场法模拟了Fe-0.5%C合金等温凝固过程中单个枝晶和多个枝晶的生长,研究了过冷度、各向异性、界面厚度、晶体取向以及扰动对枝晶形貌的影响,获得了具有二次分枝的枝晶形貌,再现了枝晶生长过程及枝晶臂之间的竞争生长.模拟结果表明:凝固过程中存在溶质富集和枝晶偏析,枝晶主干溶质浓度最低,枝晶臂之间的液相浓度最高.随着过冷度的增大,枝晶生长加快且分枝发达;界面厚度直接影响枝晶的生长速度;各向异性影响枝晶的形态;晶体取向与坐标轴方向一致时枝晶优先生长;扰动的加入导致枝晶分枝的形成.     

轴向磁场对硅单晶Czochralski生长过程的影响

利用有限元方法对炉内的传递过程进行了全局数值模拟,假定熔体和气相中的流动都为准稳态轴对称层流,熔体为不可压缩流体,Cz炉外壁温度维持恒定,模拟磁场强度范围为(0～0.3)T,研究了用Czochralski(Cz)法生长单晶硅轴向磁场对熔体流动和氧传输过程的影响.结果表明:轴向磁场可有效地抑制熔体内的流动,但增大加热器功率和结晶界面处晶体内的轴向温度梯度;对于常规Cz炉,轴向磁场可增大结晶界面平均氧浓度,而对于具有气体导板的Cz炉,则会减小结晶界面平均氧浓度.     

相场方法模拟氙枝晶生长研究

基于相场方法对纯物质的凝固过程进行了二维数值模拟.以氙为例,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,随着过冷度值的增加,晶核由一圆核逐渐发展为发达的枝晶,相应的枝晶稳态尖端速度明显加快;随着耦合系数的增大,晶核由一圆核发展为细长的枝晶,枝晶的稳态尖端速度呈单调递增趋势,界面的稳定性逐渐变差.     

薄膜生长的计算机模拟

建立了一个比较合理的三维模型,并通过模拟成像和定量计算研究了薄膜生长过程中的两个重要问题,早期成核与表面粗糙度.结果表明,薄膜的长生过程是原子吸附、迁移、脱附、连带等微观过程的积累.随着衬底温度的升高或入射率的降低,沉积在衬底上的原子逐步由各自独立的离散型分布向聚集状态转变形成岛核,并由二维岛核向三维岛核转变.衬底温度越高、入射率越低,成核尺寸越大.存在一个最佳成核温度,成核率出现一个极大值.随着衬底温度的升高,薄膜的粗糙度先降低后来又增加.存在一个生长转变温度Tr,薄膜的粗糙度达到极小值.当衬底温度小于Tr时,入射率越大,薄膜的粗糙度越大.当衬底温度大于Tr时,入射率越大,粗糙度越小.薄膜生长的主要微观机理是原子热运动对薄膜生长的影响.     

Fe-Cr-Ni-Co合金堆焊和重熔层的空蚀性能

将Fe-Cr-Ni-Co合金堆焊在304不锈钢表面,再对冷却后的堆焊层进行表面重熔,进行不同时间的空蚀实验.采用失重分析、扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪分析空蚀后的合金层,与304不锈钢和堆焊层对比,研究了表面重熔对耐空蚀性能的影响.结果表明:堆焊层和重熔层的耐空蚀性能远高于304不锈钢,重熔后的合金层其耐蚀性优于堆...     

Simulation of epitaxial growth on convex substrate using phase field crystal method

Phase field crystal （PFC） model is employed to simulate the process of growth of epitaxial layer on plane-convex substrate with a lattice mismatch and a small inclination angle. The variation of the systematic free energy, the total atomic number of the epitaxial layer, and the effect of the curvature and the angle of the substrate are analyzed. The results show that when the surface of the substrate is plane, the free energy increases with the increase of the substrate inclination angle, and also the total atomic number of the epitaxial layer increases; while the surface of the substrate is convex, the free energy decreases with the increase of substrate angle and so also the total atomic number of the epitaxial layer decrease. This is the reason that the frontier of surface of epitaxial layer changes from the step bunching to the hill-and-valley facet structure with the increasing of the inclination angle of convex substrate. These results are in good agreement with the other method results.     

振动场作用下聚合物的新型动态塑化熔融模型

将振动场引入聚合物塑化挤出的全过程,建立了振动挤出机的聚合物动态解析熔融模型．振动场的引入使挤出机的熔融塑化能力得到了很大的提高,熔融段的长度随着振动频率和振幅的增大而减少．在该模型中,随着熔融过程的进行,熔体的厚度缓慢增加,而固体床缓慢减少,直到聚合物熔体填满整个螺槽横截面;在稳定情况下,熔融段的长度不变,聚合物颗粒进入料筒的速度与挤出机的熔融速度以及产量相等．但是,当熔融段的长度达到某一稳定值后,再增大振幅或频率,熔融段的长度不再发生明显的变化．用该模型能很好地预测振动挤出机的成型参数,得到优化条件．将计算值与实验值比较验证了各振动参数（振幅和频率）对振动挤出机塑化熔融能力的影响．     

垂直布里奇曼法CdZnTe晶体生长过程的数值分析

模拟计算了半导体材料CdZnTe布里奇曼法单晶体生长过程，分析了熔体的过热温度、坩埚侧面强化换热以及坩埚加速旋转(ACRT)等因素对结晶界面的形态和晶体组分偏析的影响。结果表明：当熔体的过热温度减小时，熔体中自然对流的强度显著降低，固液界面的凹陷深度有所增加，晶体的轴向等浓度区显著加长，而晶体组分的径向偏析明显增大，坩埚的侧面强化换热增加了自然对流强度，也增大了固液界面的凹陷，但是对溶质成分的偏析影响较小，坩埚加速旋转引起的强迫对流强度远大于自然对流，显著增大了固液界面的凹陷，使熔体中的溶质分布成为均一的浓度场，显著减小了晶体组分的径向偏析，增加了晶体组分的轴向偏析。     

薄膜生长的三维蒙特卡罗模型

构造三维蒙特卡罗模型,研究了六边形基底薄膜生长的过程.在模型中针对每个原子考虑了原子沉积、原子扩散及原子脱附三个动力学过程,并认为这三个过程是相互独立的,即在同一计算步长中三个过程依据各自的概率发生.经过生长过程可视化的结果表明,薄膜原子之间的相互作用能、基底温度和沉积速率对薄膜的生长方式有显著的影响.这一结论得到了实验的验证.     

垂直布里奇曼法生长CdZnTe晶体的径向溶质偏析之有限元分析法模拟

运用有限元分析软件Comsol Multiphys-ics,结合晶体生长固液界面曲率分析法,模拟了垂直布里奇曼法生长Cd0.9Zn0.1Te（CZT）晶体。研究了固液界面处曲率变化对于溶质径向偏析的影响,揭示了界面曲率与溶质偏析的内在关联性,并计算了数值。分析了3种晶体生长方式：（1）坩埚匀速生长;（2）两阶段坩埚变速生长;（3）坩埚回熔生长分别对于溶质偏析的影响。采用扫描电子显微镜SEM中的能谱仪EDX测量3种工艺的Zn组分分布：（1）模拟值比对实验结果发现可以运用固液界面的曲率平均值来推算溶质径向组分偏差的大小;（2）模拟推算的溶质径向偏差值更加接近于实验所得的溶质组分偏差最大值;（3）坩埚回熔生长法生长晶体的固液界面的波动性小,界面稳定性最好,溶质径向组分偏差也最小。     

考虑二维ES势垒的薄膜生长动力学Monte Carlo模型

考虑了原子在发生层间扩散过程中Ehrlich-Schwoebel势垒的作用,构造了四边形基底表面上薄膜三维生长的动力学Monte Carlo(MC)模型。在这个模型中,原子表面运动的三种动力学过程包括沉积、扩散和脱附过程,它们相互影响又相互独立,依据各自的概率发生。在不同生长条件下,模拟出薄膜的三种生长模式以及相应的薄膜三维生长形貌图。对计算结果的分析表明,ES势垒和在ES势垒作用下基底温度和沉积速率等因素对薄膜的三维生长模式有重要影响。     

Phase‐field modelling of solidification microstructure formation using the discontinuous finite element method

This paper presents a discontinuous Galerkin finite element computational methodology for solving the coupled phase‐field and heat diffusion equations to predict the microstructure evolution during solidification. The phase‐field modelling of microstructure formation is briefly discussed. The discontinuous Galerkin finite element formulation for the phase‐field model systems for solidification microstructure formation is described in detail. Numerical stability is performed using the Neumann method. The accuracy of the discontinuous model is verified by the analytic solution of a simple 1‐D solidification problem. Numerical calculations using the discontinuous finite element phase‐field model have been performed for simulating the complex 2‐D and 3‐D dendrite structures formed in supercooled melts and the results are compared well with those in literature using the finite difference methods. Parallel computing algorithm is presented and results show that the minimization of the intercommunication between microprocessors is the key to increase the effectiveness in parallel computing with the discontinuous finite element phase‐field model for solidification microstructure formation. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

高比强多孔铝合金的压缩变形性能

采用渗流法制备了新型多组元、高比强多孔铝合金，研究了合金的单向压缩变形特征和能量吸收性能，讨论了孔壁厚度均匀性、孔隙率和强化热处理对性能的影响．结果表明：提高多孔铝合金的孔壁厚度的均匀度和强化热处理都显著提高多孔铝合金的压缩吸能性能；随着孔隙率的降低多孔铝合金的压缩强度增加。     

双金属层合板垂直界面裂纹疲劳的扩展过程

采用四点弯曲加载方式进行奥氏体不锈钢／低碳锅炉钢双金属层合板垂直界面裂纹的疲劳扩展实验,研究了组元强度配合、爆炸焊接影响的区域性能（晶粒大小、形变强化、界面脱粘、独立塑性区等）对裂纹扩展行为的影响,以及垂直界面裂纹疲劳扩展的不同过程及其所对应的扩展机制．结果表明：由于强度错配,裂纹起始于高强度材料一倜时其疲劳扩展速率提高,而起始于低强度材料一倜时其疲劳扩展速率降低;当裂纹尖端接近界面时,界面区域的存在对上述两种情况下疲劳裂纹的扩展均起到了一定的屏蔽减速作用．     

C60,C180,C60@C180富勒烯分子的压缩力学特性与电子结构

采用分子动力学方法模拟了C60,C180,C60@C180富勒烯分子的压缩过程,用PM3半经验量子力学方法计算了压缩C60,C180,C60@C180分子的电子结构,讨论了C60,C180,C60@C180分子压缩力学特性的差异,以及电子结构在压缩过程中的变化．结果表明,由于分子几何构形上的差异,C60分子的承载与吸收能量能力显著高于C180和C60@C180分子,而CC60@C180分子略高于C180分子;C60分子具有最高的化学稳定性,而C60@C180分子的稳定性最低;C60和C60@C180分子的压缩变形越大,越容易失去电子,稳定性越低;C180分子在加载点处发生压缩“塌陷”时,化学活性明显增加．     

基于VOF/PLIC界面追踪方法的RTM工艺充模过程数值模拟

针对基于Darcy定律的树脂传递模塑(RTM)工艺的充模过程数值模拟的局限性,将纤维预制体内的充填流动作为两相流(树脂相和空气相)处理,在动量方程中考虑了惯性项和粘性项,采用有限体积方法(FVM)离散控制方程,并与VOF/PLIC界面追踪方法相结合,发展了求解树脂在纤维预制体内非稳态流动问题的数值模拟方法.在此基础上开发了RTM工艺的充模过程数值模拟程序,其算例的数值模拟结果与解析解或实验结果吻合良好,验证了此数值模拟方法的有效性和可靠性.     

电场对异种金属摩擦焊接头组织与性能的影响

研究了外加电场对T2紫铜和1Cr18Ni9Ti不锈钢摩擦焊接头焊合区的显微组织、主要合金元素的扩散区宽度以及接头力学性能的影响．结果表明，外加电场加快了焊合区金属的动态再结品进程，不同形式的电场对焊合区铜侧的组织形态与分布有不同的影响．在负电场(试件接电源负极)作用下，焊合区金厦发生的动态再结晶程度最大，品粒尺寸较大且分布均匀；交流电场使品粒尺寸略有减小．交流电场和负电场通过对金厦内部电子密度的影响，促进了焊接过程中焊缝区Cu、Pe和Cr的扩散，并提高了焊接接头扭转强度。     

硅单晶Czochralski法生长全局数值模拟I．传热与流动特性

利用有限元方法对炉内的动量和热量传递过程进行了全局数值模拟，研究了硅单晶Czochral—ski(Cz)法生长时的总体传热和流动特性假定熔体和气相中的流动都为准稳态轴对称层流，熔体为不可压缩流体，Cz炉外壁温度维持恒定，模拟结果表明：熔体流型及炉内传热特性与Marangoni效应密切相关，设置在晶体和坩埚间的气体导板能降低加热器的功率并改变熔体流型．     

Acoustic absorption of porous electrolytic iron–nickel panel with cavity

对具有不同参数的单层电解多孔铁镍薄板结构及双层复合结构的吸声特性进行了试验和分析. 将电解多孔铁镍薄板理想化为超细微孔结构, 采用平均孔距和平均孔径利用微穿孔理论计算了电解多孔铁镍薄板结构的吸声性能, 并与实测值进行了比较. 结果表明, 单层空腔电解多孔铁镍薄板结构具有很强的共振吸声特性和良好的吸声性能, 吸声系数大于0.6的频带超过2个倍频程. 双层复合结构可明显拓宽吸声频带, 进一步提高吸声性能. 对于单层电解多孔铁镍薄板结构, 采用平均孔径和平均孔距根据微穿孔理论获得的吸声系数计算值与实测值吻合得良好; 对于双层复合结构, 吸声系数计算值与实测值的频率特性相近, 最大值接近, 但存在一定的频率偏移.     

多孔金属比表面积的计算方法

提出了一种根据泡沫金属的孔率和孔径这两个基本参量计算其比表面积的方法.利用泡沫金属比表面积与孔率和孔径的对应数理关系,结合有关实验数据,成功地计算出了电沉积法和高压渗流铸造法制备的泡沫金属的比表面积.