二元合金定向凝固的三维相场模拟

利用三维相场模型对Al-Cu二元合金定向凝固过程进行数值模拟,研究定向凝固过程中固液界面前沿的变化规律和胞晶的粗化机制,分析不同过冷度对界面形态的影响.结果表明:在定向凝固过程中,胞晶的粗化是熔化和合并共同作用的结果;定向凝固过程中,随着过冷度的减小,定向凝固中的固液界面形态易向平界面发展.     

多元合金多晶粒枝晶生长的相场模型

基于多元合金多晶粒生长的等温相场模型,耦合温度场,提出一个新的相场模型.利用这个模型,以Al-Cu-Mg三元合金为例模拟多元合金凝固过程中多个晶粒的枝晶生长过程.结果表明,这个模型的计算结果展现了多个晶粒枝晶的竞争生长;在模拟中可以展现合金凝固中潜热的释放;能较真实地再现凝固过程中的枝晶生长过程.     

枝晶生长的介观尺度三维数值模拟

为预测合金介观组织的形成与演变,提出了改进的三维元胞自动机(CA)模型。该模型采用枝晶形状函数,简化描述介观区域的枝晶生长轮廓;利用基于Euler角的空间坐标转换,描述随机晶向的多晶粒生长;采用Hash表加速算法,耦合了溶质场计算,采用数值算法处理固液界面的溶质再分配。该模型可模拟大范围随机取向的多晶粒生长过程,并具有较高的计算效率。模拟结果表明:不同模拟区域和网格剖分尺寸对晶粒体积的分布规律没有明显影响;较快冷却速度下,存在溶质富集和枝晶偏析。对Al4Cu合金的砂型和金属型试样的显微组织分别进行模拟,结果与实验符合较好。     

合金凝固过程中晶粒尺寸和形貌演变的预测

利用合金凝固热力学原理,考虑形核和长大因素,建立了预测晶粒尺寸的理论模型,利用该模型对近液相线半连续铸造6061铝合金的晶粒大小进行了计算,所得结果与实验吻合.在所计算的几个条件中,最大误差小于7μm.通过对凝固过程中液固界面法向生长的扰动分析,得出球形晶粒周边主导波长及对应于一定波数的临界晶粒直径表达式.利用此关系可以很好地解释球晶生长及其向一定形貌的枝晶转变的条件及机理;对于分析凝固组织中不同形貌晶粒的形成及演化具有参考价值;对于半固态合金组织性能预测及其制备工艺优化具有实际意义.     

枝晶生长的介观尺度三维数值模拟

为预测合金介观组织的形成与演变,提出了改进的三维元胞自动机(CA)模型。该模型采用枝晶形状函数,简化描述介观区域的枝晶生长轮廓;利用基于Eu ler角的空间坐标转换,描述随机晶向的多晶粒生长;采用H ash表加速算法,耦合了溶质场计算,采用数值算法处理固液界面的溶质再分配。该模型可模拟大范围随机取向的多晶粒生长过程,并具有较高的计算效率。结果表明:不同模拟区域和网格剖分尺寸对晶粒体积的分布规律没有明显影响;较快冷却速度下,存在溶质富集和枝晶偏析。对A l4Cu合金的砂型和金属型试样的显微组织分别进行模拟,结果与实验符合较好。     

界面扩散控制晶粒生长动力学的计算机模拟

建立一个模拟晶粒生长过程的三维计算机模型，利用该模型可以方便地模拟不同条件下的晶粒生长过程，对不同温 度、体积分数和激活能条件下的生长过程进行了模拟运算结果表明：三维晶粒尺寸ｒ随时间ｔ演化的生长过程满足关系ｒ－ｔ＾１／ｎ，ｎ的值约为６，该模型的计算机模拟对纳米相生长动力学等实验具有一定的理论预见的指导意义。     

高纯铝定向凝固中晶粒的生K特性

采用自制的定向凝固提纯炉定向制备了大直径高纯铝圆锭,并对其定向凝固组织中晶粒的生长状况进行了研究.结果表明,初生的高纯铝晶粒易于发生再结晶合并,随着保温时间的增加,晶粒的生长形态逐渐由等轴晶态转变为柱状晶态;过渡区晶粒在晶界夹角处形核,并在随后的竞争生长过程中产生湮没、扭转等状况;多晶生长暂停拉伸时,新晶粒将在柱状晶顶部晶界夹角处形核并长大,而且新晶粒的晶格取向与原有晶粒的取向无关.     

数值模拟多晶粒生长形貌

基于相场方法,对包含多晶粒的纯物质凝固过程进行了二维数值模拟.以镍为例,展示了界面形貌的生长过程,研究了各向异性参数对枝晶界面形貌的影响.结果表明:随着模拟时间的增加,各晶核由独立生长演化为竞争生长,晶臂间区域的晶臂生长受到抑制.随着各向异性值的增大,各枝晶相貌大小均逐渐增大,同时晶臂间区域减小导致晶臂的竞争生长加强,最后在该区域呈排斥性生长.     

亚快速凝固高强度微合金钢再加热和冷却过程中的奥氏体生长和贝氏体转变动力学研究

首先,采用薄带连铸热模拟技术制备了具有亚快速凝固特征的高强微合金钢样品。然后利用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)原位观察了样品在再加热和冷却过程中奥氏体晶粒等温长大过程和后续的贝氏体转变过程。结果表明,亚快速凝固微合金钢中的奥氏体长大过程与再加热温度关系紧密;在高温区(1000℃以上)和低温区(1000℃以下),奥氏体晶粒生长活化能分别为538.0 kJ/mol和693.2 kJ/mol。并据此建立了基于亚快速凝固微合金钢的奥氏体等温长大动力学模型,经过验证,该模型能很好地预测奥氏体晶粒在保温过程的尺寸变化规律。研究还发现,在较低温度下保温时生成的细小且弥散的析出相能够有效地阻碍奥氏体晶粒生长。此外,还原位观察了不同保温温度下（保温时间1800s）的亚快速凝固微合金钢在冷却过程中的贝氏体相变行为。研究了不同形核位置和不同原奥晶粒尺寸对贝氏体板条生长的影响。结果表明,贝氏体板条的生长速率不仅与成核位置有关,而且与原奥尺寸密切相关。     

相场法模拟外场下二维晶粒的长大过程

在Fan和Chen提出来的扩散界面场变量模型的基础上提出了一种耦合外部场的一种新的相场模型.通过该相场模型的模拟,结果表明:外场下二维晶粒生长的相场仿真与没有外场下的情况相比,整体来看晶粒的生长显然不再均匀;在不同外场强度下晶粒的演变规律基本相同,但晶粒数随着外场的变化而明显不同,这表明外场的强弱对形核率的影响比较明显;外场下二维晶粒的生长仍符合线性关系.     

电磁搅拌对钢坯凝固过程中热工参数的影响

采用自行设计的单侧冷却凝固实验装置进行了有无电磁搅拌作用下钢坯的凝固实验,并通过计算机数据采集系统对钢坯凝固过程中的各种热工参数进行了实时测试和分析·研究结果表明:施加电磁搅拌以后,钢坯凝固初期的铸型热流量明显增加,促进了铸型内钢液过热的耗散,使得钢坯内的温度分布趋于均匀,降低了凝固前沿的温度梯度·这不仅抑制了柱状晶的发展,同时易于在钢液内部同时形核,有利于等轴晶凝固组织的形成,使得钢坯的等轴晶比率由无电磁搅拌作用下的47%提高到76%·这也说明了电磁搅拌促进钢液中的过热耗散是提高铸坯凝固组织中等轴晶比率的重要原因之一·     

Static coarsening of titanium alloys in single field by cellular automaton model considering solute drag and anisotropic mobility of grain boundaries

Static coarsening is an important physical phenomenon that influences microstructural evolution and mechanical properties. How to simulate this process effectively has become an important topic which needs to be dealt with. In this paper, a new cellular automaton (CA) model, which considers the effect of solute drag and anisotropic mobility of grain boundaries, was developed to simulate static grain coarsening of titanium alloys in the beta-phase field. To describe the effect of the drag caused by different solute atoms on coarsening, their diffusion velocities in beta titanium were estimated relative to that of titanium atoms (Ti). A formula was proposed to quantitatively describe the relationship of the diffusion velocity of Ti to that of solute atoms; factors influencing the diffusion velocity such as solute atom radius, mass, and lattice type were considered. The anisotropic mobility of grain boundaries was represented by the parameter c0, which was set to 1 for a fully anisotropic effect. These equations were then implemented into the CA scheme to model the static coarsening of titanium alloys Ti-6Al-4V, Ti17 (Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr, wt%), TG6 (Ti-5.8Al-4.0Sn-4.0Zr-0.7Nb-1.5Ta-0.4Si-0.06C, wt%) and TA15 (Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V, wt%) in the beta field. The predicted results, including coarsening kinetics and microstructural evolution, were in good agreement with experimental results. Finally, the effects of time, temperature, and chemical composition on grain coarsening and the limitations of the model were discussed.     

超超临界机组叶片钢KT5331晶粒长大行为

通过在不同温度下等温奥氏体化,研究KT5331钢奥氏体晶粒长大行为,并探讨析出相对奥氏体晶粒长大行为的影响机理. 研究表明,KT5331钢奥氏体晶粒长大可分为三个阶段:1075℃以下,由于含W和Nb的析出相钉扎作用,晶粒长大缓慢;1075℃以上,含W和Nb的析出相溶解,钉扎作用减弱,随加热温度和保温时间延长晶粒迅速长大;1225℃及以上,δ铁素体析出,晶粒尺寸随加热温度升高而急剧减小. 通过拟合分别得到晶粒粗化温度以下( 950~1075℃)和晶粒粗化温度以上(1100~1200℃)的晶粒长大模型.     

Microstructural evolution during reheating of A356 machining chips at semisolid state

The microstructural evolution of A356 machining chips in the semisolid state was studied at different temperatures and holding times. The results showed that the elongated α-Al grains first recrystallized in the semisolid state and then became globular with a high shape factor (SF). Both the temperature and the holding time clearly affected the grain size and SF. When the heating temperature or holding time was increased, the grain size and SF gradually increased and finally became stable. Moreover, the Vickers hardness of primary α-Al grains gradually decreased with increasing heating temperature. The optimal slurry for semisolid processing, with a good combination of grain size and SF, was obtained when the chips were held at 600℃ for 15 min. The semisolid slurry of A356 chips exhibited a lower coarsening rate of α-Al grains than those produced by most of the conventional semisolid processes. The coarsening coefficient was determined to be 436 μm3·s-1 on the basis of the linear Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW) relationship.     

微合金钢初始凝固中奥氏体开始长大的温度

通过共聚焦激光显微镜对P510L钢的初始凝固过程进行了原位动态观察以考察δ相生成、包晶反应以及γ相的形成过程,并探索奥氏体开始长大温度.研究结果表明:1)冷却速度为25℃/s时P510L钢的冷却模式为首先从液相中析出δ铁素体,然后在液相与δ铁素体相之间发生包晶反应(L+δ→γ),进入三相共存区,液相消失后剩余的δ相通过固态扩散转变为γ相;2)在初始凝固过程中,奥氏体先进行一部分吞并、长大,然后才实现过剩δ铁素体向奥氏体的同素异构转变,最后实现完全奥氏体化;3)通过原位动态观察,探索了一种较为准确的确定原始奥氏体开始长大温度的实验方法,提高了奥氏体晶粒预测模型的准确性.     

Modeling of static coarsening of two-phase titanium alloy in the α+β two-phase region at different temperature by a cellular automata method

A cellular automata (CA) method was employed to model static coarsening controlled by diffusion along grain boundaries at 1173K and through the bulk at 1213 and 1243K for a two-phase titanium alloy. In the CA model, the coarsening rate was inversely proportional to the 3rd power of the average grain radius for coarsening controlled by diffusion along grain boundaries, and inversely proportional to the 2nd power of the average grain radius for coarsening controlled by diffusion through the bulk. The CA model was used to predict the morphological evolution, average grain size, topological characteristics, and the coarsening kinetics of the Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V (TA15) alloy during static coarsening. The predicted results were found to be in good agreement with the corresponding experimental results. In addition, the effects of the volume fraction of the phase (Vf ) and the initial grain size on the coarsening were discussed. It was found that the predicted coarsening kinetic constant increased with Vf and that a larger initial grain size led to slower coarsening.     

中厚板中间坯冷却过程中晶粒长大及控制方法

为控制中厚板中间坯长时间待温导致的晶粒长大,研究了中间强制水冷却对奥氏体组织的影响．通过对Q345B钢和含Nb-Ti钢采用1050℃变形后快冷至1050-950℃预定温度保温的热模拟方法,确定了中间坯冷却过程中的晶粒尺寸变化规律,提出了中厚板冷却过程中晶粒长大的控制方法,建立了Q345B钢和含Nb-Ti钢在中间冷却过程中的晶粒长大模型．在中间冷却过程中,Q345B钢晶粒稳定性较差,而含Nb-Ti钢晶粒稳定性良好,归因于以铌为主的析出相对奥氏体晶界的钉扎作用．中间坯的强制冷却可控制奥氏体晶粒长大,63mm厚中间坯强制冷却可有效减小平均晶粒尺寸约20μm．在实际生产中,经中间强制冷却后16mm厚度Q345B钢板的冲击韧性提高25％-70％．     

热处理状态及加热速度对20Cr2Ni4A钢奥氏体晶粒长大的影响

本文定量探讨了中间预处理、加热速度、原始组织及扩散退火工艺对20Cr2Ni4A合金渗碳钢奥氏体晶粒粗化温度及其长大过程的影响,并分析了上述各种热处理工艺的有效性与可行性。     

高纯铝定向凝固中晶粒的生长特性

采用自制的定向凝固提纯炉定向制备了大直径高纯铝圆锭，并对其定向凝固组织中晶粒的生长状况进行了研究．结果表明，初生的高纯铝晶粒易于发生再结晶合并，随着保温时间的增加，晶粒的生长形态逐渐由等轴晶态转变为柱状晶态；过渡区晶粒在晶界夹角处形核，并在随后的竞争生长过程中产生湮没、扭转等状况；多晶生长暂停拉伸时，新晶粒将在柱状晶顶部晶界夹角处形核并长大，而且新晶粒的晶格取向与原有晶粒的取向无关．