枝晶是金屬凝固組織中典型的結(jié)構(gòu),枝晶的界面形態(tài)和穩(wěn)態(tài)選擇直接決定了凝固的組織特征和材料的最終性能。隨著計(jì)算材料學(xué)的發(fā)展,數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究成為目前材料研究的前沿領(lǐng)域。其中相場(chǎng)法作為一種描述復(fù)雜相界面演化的強(qiáng)有力工具,在模擬金屬凝固過(guò)程中枝晶復(fù)雜的形貌演化方面得到廣泛的應(yīng)用。本文采用包含固相擴(kuò)散系數(shù)的三維相場(chǎng)模型對(duì)Al-Si合金枝晶生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了以下的研究。1.采用相場(chǎng)法模擬了不同相場(chǎng)模型參數(shù)下枝晶的生長(zhǎng)過(guò)程并確定了合適的相場(chǎng)模型參數(shù),研究結(jié)果表明:界面寬度會(huì)改變枝晶尖端的穩(wěn)態(tài)行為,馳豫時(shí)間對(duì)枝晶的擇優(yōu)取向以及二次枝晶的生長(zhǎng)具有重要影響。2.模擬了不同界面寬度、過(guò)冷度、過(guò)飽和度和熱噪聲幅值下等軸枝晶的演化過(guò)程,研究結(jié)果表明:界面寬度會(huì)影響枝晶形貌的復(fù)雜度和枝晶尖端的溶質(zhì)濃度;過(guò)冷度對(duì)枝晶的生長(zhǎng)速度和二次枝晶的發(fā)達(dá)程度具有重要影響;過(guò)飽和度會(huì)改變微觀偏析程度和枝晶尖端速度;熱噪聲幅值會(huì)引發(fā)枝晶主干兩側(cè)二次枝晶的不對(duì)稱生長(zhǎng),而枝晶尖端形貌變化較小。3.模擬了定向凝固過(guò)程中不同主枝晶間距、推進(jìn)速度、溫度梯度和熱噪聲幅值下枝晶側(cè)枝的演化過(guò)程,研究發(fā)現(xiàn):主枝晶間距會(huì)影響二次枝晶的數(shù)量和發(fā)達(dá)程度以... 

【文章來(lái)源】：中北大學(xué)山西省

【文章頁(yè)數(shù)】：75 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

不同各向異性參數(shù)下等軸晶的枝晶取向轉(zhuǎn)變[22]

對(duì)流對(duì)過(guò)冷熔體中自由枝晶的三維形貌的影響，結(jié)果表明對(duì)流會(huì)改變遠(yuǎn)離枝晶尖端傳輸和枝晶的對(duì)稱形貌，使得上游枝晶尖端和側(cè)枝生長(zhǎng)速度比下游的快。定向凝固是一種研究晶體生長(zhǎng)行為的最直接的方法，準(zhǔn)確地獲取定向凝固過(guò)程的梯度和抽拉速度，有助于深入了解金屬材料的凝固特性。相場(chǎng)法在模擬定向凝固過(guò)的組織演化方面取得了較多的進(jìn)展[50]。1997 年，Conti[51]通過(guò)建立包含溶質(zhì)梯度的模型，研究了初始溫度、溫度梯度、濃度梯度對(duì)枝晶形貌和溶質(zhì)分布的影響。隨oettinger 等人[52]采用凍結(jié)溫度條件下的定向凝固相場(chǎng)模型模擬了 Ni-Cu 合金在絕對(duì)平界面的生長(zhǎng)條件下的界面形貌和溶質(zhì)偏析，并揭示了初始平界面向胞晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化力學(xué)過(guò)程。Tourret 等人[53]采用 Karma 相場(chǎng)模型研究了定向凝固過(guò)程中枝晶的競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，研究表明不利取向的邊側(cè)枝生長(zhǎng)會(huì)受到抑制并在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，如圖 1示。Beckermann 等人[54]使用相場(chǎng)法模擬了定向凝固條件下等軸晶的轉(zhuǎn)變過(guò)程，并了溫度梯度，抽拉速度等定向凝固參數(shù)對(duì)等軸晶轉(zhuǎn)變過(guò)程的影響。

中北大學(xué)學(xué)位論文近年來(lái)，由于計(jì)算能力的穩(wěn)步提升以及圖形處理單元（GPU）多核架構(gòu)上大規(guī)模代碼的實(shí)現(xiàn)，相場(chǎng)法能夠更為準(zhǔn)確地模擬凝固過(guò)程中的微觀組織演化。Bergeon 等通過(guò)定量相場(chǎng)模型研究了振蕩模式對(duì)枝晶生長(zhǎng)過(guò)程的影響。Karma 等人[56]采用粗晶網(wǎng)絡(luò)法（DNN）模擬了枝晶的演化過(guò)程，結(jié)果表明這種方法能夠在尺度上很好地連場(chǎng)模型和晶粒結(jié)構(gòu)模型，從而為晶內(nèi)、晶間相互作用力的定量建模開(kāi)辟了新途徑kaki 等人[57]采用高性能的并行算法模擬了合金凝固過(guò)程中大尺度枝晶的三維形貌表明在單向凝固過(guò)程中仍會(huì)存在大量不利取向的枝晶，如圖 1.4 所示。

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
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[6]強(qiáng)制對(duì)流影響凝固微觀組織的相場(chǎng)法研究[D]. 袁訓(xùn)鋒.蘭州理工大學(xué) 2011
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碩士論文
[1]Fe-C合金枝晶生長(zhǎng)過(guò)程的相場(chǎng)法模擬研究[D]. 康永生.中北大學(xué) 2017



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