基于多相场模型的二元合金共晶层片生长方式数值模拟

基于界面场的多相场模型,模拟研究有机合金CBr4-C2Cl6的层片形貌以及初始层片间距和初始过冷度对其形貌的影响.模拟结果表明:随着初始层片间距增大,共晶层片生长方式依次呈现以下形态:规则形态、低对称性震荡、更低对称性震荡、形核及分叉;在等温凝固条件下,初始过冷度越高,共晶层片生长形态越不稳定.     

稳态层片共晶长生模型：I.理论分析

修正了ＪＨ经典模型关于平界面生长假设，建立新的层片共晶生长模型。应用严格的界面曲率数学公式，数值计算界面过冷度普适性方程，获得正确的共晶生长界面形态。并计算了稳态相间距选择极限，表明层片共晶生长存在稳态间距选择范围，随生长速度增大，选择范围越来越尖锐。最小相间距λｍ和ＪＨ及Ｔｒｉｖｅｄｉ模型结果一致，而最大相间距λＭ则不遵循上述经典模型。     

层片状珠光体生长形貌的相场法模拟

采用相场法,以共析钢为例,模拟研究了不同初始共析层片间距及不同初始过冷度条件下层片状珠光体微观组织的生长形貌,探讨了不同初始层片间距及不同初始过冷度条件下层片状珠光体微观组织生长的规律.模拟结果表明:过冷度不变时,随着初始层片间距的增大,共析层片振幅增大,共析层片生长形貌的变化是规则对称的层片状→非规则非对称形状→棒状;层片间距不变,初始过冷度在19.6~20K时,随着初始过冷度的减小,共析钢中碳原子扩散能力增大,层片间距的失稳,致使共析层片由规则状向非规则形状变化;初始过冷度在20~22K时,随着初始过冷度的增大,共析钢中碳原子的扩散能力减弱,渗碳体相前沿碳原子浓度无法使其规则对称地生长,渗碳体相向碳原子浓度高的地方生长,从而产生倾斜生长以及层片合并现象.     

考虑包晶反应的包晶层片共生生长模型

在共晶生长Jackson-Hunt模型和Boettinger对包晶共生生长分析的基础上, 对包晶层片共生生长过程中的溶质场进行了求解. 在对Fe-Ni包晶合金共生生长的计算中发现, 共生生长界面过冷度DT随层片间距l变化曲线的斜率dDT/dl在很大的层片间距范围内都接近零, 此时共生生长是可以进行的, 这为目前得到的共生生长不满足形态稳定性的假设之间的矛盾提供了解释. 此外, 由于包晶共生生长过程中包晶反应很难进行完全, 包晶相变很难达到完全平衡状 态, 所以将包晶反应不完全性引入到包晶共生生长模型中, 发现包晶反应完成完全平衡状态的60%~80%时计算结果与Fe-Ni合金共生生长的实验结果吻合很好.     

不同次要相体积分数的亚共晶层-棒转变的多相场模拟

利用KKSO多相场模型,对亚共晶模型合金的层-棒转变过程进行模拟. 结果表明,共晶形态的层-棒转变不是突变而是在一定成分范围内渐变的. 在各向同性界面能条件下,当次要相体积分数远小于1/π时,共晶形态将发生层- -棒转变,该相以棒状形式存在;当次要相体积分数在1/π附近时,层片共晶不完全向棒状共晶转变,且随着次要相体积分数的增大,转变时刻推迟;当次要相的体积分数远大于1/π时,层片状共晶不再向棒状共晶转变. 共晶形态的层-棒转变趋势与初始层片间距有关,模拟结果与实验结果定性一致.     

自适应有限元法对合金定向倾斜枝晶生长的相场法模拟

建立了合金定向倾斜枝晶生长的相场模型,采用非均匀网格的自适应有限元法求解薄界面层厚度条件下的相场模型,研究了Al-Cu(w(Cu)=4%)合金的倾斜枝晶演化过程,定量分析了冷却速率、主晶间距对凝固组织的影响.结果表明:冷却速率、主晶间距和抽拉速度可以控制倾斜枝晶的生长角度,随着冷却速率的增加,枝晶的生长会偏离择优取角向温度梯度方向偏转,反之主晶间距和抽拉速度增大,枝晶的生长角度逐渐从温度梯度方向朝着晶体择优方向偏转.此外,自适应有限元法相较于均匀网格法在CPU的运行时间上降低了一个数量级,并且随着计算域的增大,自适应有限元法的计算效率越高.     

超声场中Ag-Cu-Sb三元共晶的生长机制

在频率为35 kHz的超声场中实现了三元Ag_42.4Cu_21.6Sb₃₆共晶的液固转变. 凝固过程中合金熔体内部的声场分布表明, 在声波的传播方向上, 随着液固界面自下而上推移, 界面处液相中的声强逐渐升高. 超声场的不均匀性促使(ε +θ +Sb)三元共晶生长形态沿声波传播方向呈现出“三元离异共晶-不规则和规则三元共晶混合组织-规则三元共晶”的区域特征. 在声强最高的区域内, 空化效应引发3个共晶相独立形核, 声流有效抑制了共晶相的协同生长, 组织生长形态为粗大的三元离异共晶. 同时, 声场加速了共晶液固界面前沿的溶质传输, 降低了3个共晶相对溶质元素的固溶程度.     

含表面梯度强化层的缺口样品疲劳起源寿命数值分析

以Tanaka和Mura的疲劳模型为基础,引入弹性应变能释放项,构建了新的适用于复杂载荷的疲劳模型.利用这一模型,结合表面梯度强化层的强度、模量和残余应力的梯度分布特征,对含表面梯度强化层的缺口样品的疲劳形核寿命分布及裂纹起源位置进行数值分析.分析结果表明:表面强化会增加样品的疲劳形核寿命,强化层厚度变化会改变裂纹形核位置.存在临界厚度,当强化层厚度小于临界厚度,裂纹形核于强化层与基体的界面;反之,形核于强化亚表层或表面.硬度比增加会导致临界厚度增加,过大的残余压应力会降低疲劳裂纹形核寿命.相同名义应力集中系数值(Kt)的样品在同一强化工艺处理后,其疲劳形核寿命和裂纹起源位置随样品缺口尺寸而改变.     

Fe-B及Fe-C-B合金的激光熔化激冷

工业纯铁与共析碳钢表面渗硼层先在炉中处理,以获得共晶组织,然后以高能密度激光束扫描;被激光熔化的金属在冷基底的吸热作用下,以非常高的速度冷却并凝固。实验表明,炉内处理后Fe-B合金层的共晶由α-Fe Fe_2B二相组成,FeC-B合金层的共晶由α-Fe Fe_3(C、B)二相组成;共晶中Fe_2B为方棒状和Fe_3(C、B)为片层状。激光熔化激冷后,共晶中的相组成及形貌无改变,但棒间距和片间距相应减小了40及100倍。共晶组织的硬度大幅度增高,每个合金系的共晶组织的硬度与尺寸的关系服从Hall-Petch公式。     

强迫层流环境下多晶粒生长的相场法模拟

将模拟流场所用的Lattice Boltzmann方法(简称LBM)和模拟枝晶生长的相场模型进行耦合,模拟Al-Cu合金等温凝固过程中多晶粒在纯扩散和存在对流情况下枝晶的生长状况.模拟结果显示:在枝晶的生长初期,无论是纯扩散还是存在对流,各晶粒间间距较大,无相互影响,独立生长;纯扩散条件下枝晶呈现明显的对称性,强迫层流作用下,由于对流的存在,上游侧枝晶比下游侧枝晶发达;随着枝晶慢慢长大,各晶粒相互影响,产生竞争生长,导致枝晶生长产生不对称性;流速的大小会影响枝晶的生长形貌,流速越大,枝晶生长越快,非对称性越严重,下游越易产生涡流.     

基于OpenCL并行的挡板对珠光体生长的相场法模拟

建立了耦合相场和溶质场的KKSO模型,采用OpenCL并行计算模拟了Fe-C合金共析生长过程,研究了不同形状和不同位置的挡板对层片状珠光体协同生长的影响.结果表明:GPU计算效率相对于串行CPU,最高可达88倍的加速比,并且随着模拟规模的增大,GPU的加速性能越高;挡板的存在直接影响珠光体的形貌演化,其使挡板下方的珠光体生长被限制,穿过挡板间隙的珠光体形貌发生改变;当挡板位于渗碳体和铁素体界面正上方时,挡板两侧渗碳体相合并为不规则形状,渗碳体相前沿碳原子不能满足其生长需求,停止生长,相邻铁素体合为一个相.因此挡板的存在可以控制珠光体的生长形貌.     

ACRT强迫对流对定向凝固过程传热传质的影响

计算模拟了采用加速坩埚旋转技术的Bridgman法(ACRT-B)碲锌镉单晶体生长过程,以流函数图清晰地展示了晶体生长过程中固液界面前沿对流的周期性变化,以等温线图展示了界面前沿熔体温度场的变化,以等浓度线图展示了晶体内的组分偏析.计算结果表明:强迫对流显著提高了熔体中溶质分布的均匀性,可得到均一的熔体浓度场.强迫对流显著增加了固液界面凹陷深度.与不施加ACRT相比,强迫对流增加了晶体内溶质成分的轴向偏析,显著减小了径向偏析.     

铝硅合金加Te变质机理

本文通过光学显微分析、扫描电镜形貌照像、线扫描分析以及热分析液淬等手段研究了Te、P、Na等元素对高纯及工业纯过共晶、共晶Al-Si合金中初晶Si及共晶Si形貌及其结晶过程的影响,提出了Te在合金中使共晶Si相变质的机理的看法,认为:Te使工业纯Al-Si合金共晶Si相变质主要原因有二:(1)减弱或消除了工业纯Al-Si合金中微量磷的影响,使其结晶过程及共晶形貌及尺寸更接近于高纯合金;(2)过剩的Te原子一方面促使α(Al)初生晶的形核,并抑制其枝晶胞生长,促使α(Al)枝晶尺寸和二次枝间隙减小。另一方面,吸附于Si晶体侧面,抑制其侧向分枝,这与P促进初晶Si形核细化初晶Si和Na促使共晶Si生长方式改变而成长为纤维状的机理是不一样的。     

多元合金等温凝固相场法模拟

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,研究界面厚度对枝晶生长的影响.结果表明,随着界面厚度的减小,枝晶生长速度增大,界面推进速度提高,主枝晶臂变细,二次枝晶臂越发达,固液界面溶质扩散层的厚度减小,界面前沿溶质分配系数增大,而界面前沿溶质偏析程度也相应增大;相反,随着界面厚度的增加枝晶尖端生长速度逐渐减小,并呈收敛的趋势.     

强迫对流影响枝晶生长的三维相场法模拟

将计算流体的三维模型与模拟枝晶生长的三维相场模型进行耦合,建立强迫对流环境下枝晶等温生长的三维PF-LBM模型,以Al-Cu合金为例研究液态金属流动时枝晶的生长行为、不同流速下枝晶的生长行为并在相同模拟参数条件下将三维模拟与二维模拟进行对比.结果表明:液态金属的流动显著改变了三维枝晶原有的对称生长形貌.不同流速下枝晶的生长形貌和溶质场分布不同,流动速度越大,迎流方向主枝晶越粗,逆流方向主枝晶越细.流动速度对尖端曲率半径的影响大于对尖端生长速度的影响,大的流动速度对逆流方向枝晶的影响比对迎流方向枝晶影响严重.三维模拟中液态金属的流动状况比二维模拟中复杂;相同模拟参数下三维模拟中液态金属的流动对枝晶生长的影响比二维模拟中影响大.     

稀土变质钒白口铸铁中碳化物球化机理

探索了用变质方法改善钒白口铸铁中碳化物的形貌和分布。用稀土综合变质剂对钒白口铸铁进行了变质处理,使钒白口铁中方块状先共晶碳化物和条状共晶碳化物变为圆整时球状碳化物,韧性和机械性能明显提高。 研究表明,一定的钒量是碳化物获得球化的必要条件。变质过程中产生的大量的高熔点的硫化物、氮化物是VC非均质形核的基体,对VC以离异共晶方式生长起着重要作用。稀土的脱硫脱氧作用,提高了VC—熔体间的界面能,降低了VC的表面能的各向异性,使VC各个生长锥以在致相等的速度增长,从而长成球形。同时,高的界面能有利于在生长过程中球面的稳定性。 稀土综合变质剂正是综合了提供非均质形核基体与提高VC—熔体界面能、降低界面能各向异性的优点,而且前者与后者之间互相促进,因而发挥了较强的球化作用。     

切向流动作用下模型合金定向生长方式的研究

研究了SCN－3％（质量分数）Salol透明模型合金液固界面在切向流动作用下的定向生长方式．实验结果表明,切向流动作用下,平界面临界失稳速度大大提高．同时,凝固界面出现了生长方式的振荡和生长速度的波动．随着抽拉速度的提高,生长方式由“平界面－胞晶”振荡逐渐演变为“胞晶－枝晶”振荡,且振荡周期逐渐增大．理论分析表明,切向流动能够改变界面前沿溶质分布,从而改变界面生长方式,而界面自身演化过程中的时间和历史相关性是形成振荡生长方式的重要原因．     

落管中Co-Sn共晶合金的快速凝固

采用落管无容器处理技术实现了Co-34.2%Sn共晶合金在微重力条件下的快速凝固,获得了直径为100～900μm液滴的凝固组织.研究发现,随着过冷度的增大,共晶生长由层片共晶向不规则共晶转变.实验中获得了0～309 K的过冷度,最大过冷度达到0.22 TE.理论分析与实验结果表明,γCO3Sn金属间化合物是领先形核相;过冷度大于213 K时,金属间化合物γCo3Sn将取代层片共晶成为领先生长相;Co-Sn合金的共晶共生区偏向于富Co方,其成分范围为19.0%～39.6%Sn.实验达到的过冷度范围内,αCo固溶体和γCo3Sn金属间化合物均以溶质扩散控制方式生长.     

钎焊接头金属间化合物层形貌对扩散浓度和应力的影响

结合实验结果,建立了芯片封装技术中焊点金属间化合物(IMC)界面模型,采用有限元方法计算了模型中Sn钎料与Cu焊盘形成IMC层时Cu原子的扩散过程以及扩散应力大小与分布.结果表明:IMC层与钎料的界面形貌可显著影响Cu原子扩散浓度及应力行为.凹凸界面形貌会严重阻碍Cu原子的扩散,且靠近界面影响更为显著;扇贝形界面模型比...     

横向约束对Fe-C合金凝固微观组织的相场法模拟

以Fe-C二元合金为例,采用多相场法模拟了横向约束条件下枝晶与共析组织微观形貌的演化过程,探讨了横向约束的长度、厚度对枝晶与共析组织生长形貌的影响.结果表明:横向约束的存在限制了枝晶和共析组织的正常生长,横向约束上方的微观组织形貌明显改变;随着横向约束长度的增加,横向约束上方的枝晶间距明显减小,共析组织的层间距越来越大;随着横向约束厚度的增加,横向约束上方新枝晶的生长速度降低,共析组织中Fe₃C相偏转增大,使得层间距变大.