基于均匀形核的金属液滴凝固过程

研究了均匀形核的金属液滴凝固过程,应用渐近分析法求得金属液滴内晶核生长数学模型的渐近解,分析了表面张力、界面动力学参数、初始晶核尺寸和过冷度对晶核界面生长速度、晶核半径以及液滴凝固时间的影响.在一定的过冷条件下,表面张力和界面动力学参数显著减缓了晶核界面生长速度.在凝固开始的很短时间内晶核界面生长速度迅速上升,当速度上升到最大值后,随着晶核半径的增大,界面生长速度逐渐减慢,表面张力和界面动力学参数对晶核生长速度的作用也逐渐减小.过冷度越大,液滴凝固时间越短.经过在开始的瞬变凝固阶段之后,温度场从设定的初始分布迅速地调整为由过冷度、表面张力、界面动力学参数等所确定的特定温度分布.     

液态金属凝固与形核热力学中有关公式的校正

分析了教材中关于液态金属凝固热力学条件和形核热力学中的公式推导过程,发现教材中存在参数的量纲前后不一致而得出错误结果的现象;通过统一量纲,获得了均质形核的正确临界晶核半径计算式,并通过实例对其正确性进行了检验.结果表明,所获得的临界晶核半径计算式正确.     

深过冷液态金属中的均匀形核

首先讨论了液态金属和非晶金属在结构方面的相似之处，然后讨论了传统形核理论的一些缺陷以及与之相矛盾的一些实验结果，目的是进一步探讨均匀形核的机理。在此基础上，提出了无扩散形核理论及其形核壁垒的公式，并对均匀形核理论的矛盾进行了数学上的论证。无扩散形核理论有效地解释了晶体形核和非晶形核的过程。     

深过冷液态金属中的均匀形核

首先讨论了液态金属和非晶金属在结构方面的相似之处,然后讨论了传统形核理论的一些缺陷以及与之相矛盾的一些实验结果,目的是进一步探讨均匀形核的机理.在此基础上,提出了无扩散形核理论及其形核壁垒的公式,并对均匀形核理论的矛盾进行了数学上的论证.无扩散形核理论有效地解释了晶体形核和非晶形核的过程.     

液态金属Cu凝固过程中晶体形核与生长及纳米团簇结构的演变特性

采用分子动力学方法和Quantum Sutton-Chen（Q-SC）多体势,对含有5万个液态金属铜（Cu）原子系统在凝固过程中的晶体成核与生长规律及纳米团簇微观结构转变特性进行了模拟跟踪研究.运用Honeycutt-Andersen（HA）键型指数法和新的原子团类型指数法（CTIM-2）分析了金属Cu原子的成键类型和原子团簇微观结构演变特性.结果发现：在以1.0×1013K/s速度冷却时,体系最终形成晶态与非晶态结构共存的混合结构,非晶转化温度约为673K,结晶起始温度为373K.在以4.0×1012K/s速度冷却时,结晶起始温度为673K,系统形成以1421和1422二种键型或由其构成的面心立方（fcc）（12000120）和六角密集（hcp）（1200066）基本原子团为主体的晶态结构,尤其是由1421键型构成的面心立方基本原子团在晶核生长和纳米团簇结构形成过程中占主导地位.形核和生长过程对凝固微观结构演变特性有重要的影响.     

非均质形核细化16Mn钢凝固组织

通过感应炉对比实验,考察了基于不同非均质形核理论计算所得的三类有效形核质点Ce2O3、ZrO2和MgO对细化16Mn钢凝固组织的影响.结果表明:只符合点阵错配度理论判据的MgO形核质点将铸锭等轴晶率从32％提高至37％;只符合静电作用理论判据的ZrO2形核质点将等轴晶率提高至40％;同时满足点阵错配度理论和静电作用理论判据的Ce2O3非均质形核质点将等轴晶率提高至44％.在上述三个非均相成核的粒子中,Ce2O3能最大程度细化16Mn钢凝固组织.钢中形成以上三类形核核心后,钢的原始奥氏体晶粒尺寸以及显微组织均得到不同程度细化.     

基于小润湿角下脉冲磁场的凝固形核模型

基于Ma形核模型,理论分析了异质形核基底小润湿角下脉冲磁场金属凝固的异质形核过程,建立了凝固形核模型.考察脉冲磁场磁感应强度对金属凝固临界形核半径及临界形核过冷度的影响.结果表明:该模型中体系Gibbs自由能与异质形核基底形状系数无关.在低过冷度金属凝固条件下,当脉冲磁场磁压力功与金属熔体固液自由能差在同一数量级时,脉冲磁场可有效减小凝固形核的临界半径;在大过冷度(大于20℃)金属凝固条件下,脉冲磁场对金属凝固临界形核半径的影响可忽略.金属凝固异质形核基底粒径较大时,临界形核过冷度随脉冲磁场磁感应强度增大而有效减小.     

球墨铸铁凝固过程的微观模拟

采用过冷形核与扩散控制生长模型,对凝固时球墨铸铁显微组织的形成过程进行了模拟。比较了瞬时形核和连续形核两种形核模型,并讨论了工艺参数对形核和石墨/奥氏体共晶生长的影响。     

铁液非均质形核的热力学研究

利用电解纯铁，通过高温钼丝炉制备了含有不同种类、不同含量异质核心的试祥．利用差热分析方法测定了试样在相同冷却速度条件下的过冷度．从理论上比较了铁液凝固热力学驱动力的不同计算方法及误差，计算了铁液在凝固过程中的热力学驱动力，形核功和临界晶核半径．     

银溶胶均相成核过程的研究

利用紫外光谱测定了柠檬酸钠还原硝酸银制备银溶胶的成核诱导期,考察了溶液温度和过饱和度对反应诱导期的影响.结合均相成核理论,得到当溶液的过饱和浓度大于或等于4×108时体系为均相成核过程.结果表明,诱导期随着温度和过饱和浓度的上升而下降.同时计算出不同反应温度下纳米银的固-液界面张力,并与经验理论模型的数据结果加以比较,实验预测结果低于模型值.本实验通过测定银溶胶制备过程中银离子的浓度变化验证了紫外光谱测定反应诱导期的可行性.     

均相核化率数学模型的改进研究

针对均相核化率求解中存在对表面自由能数值估计过高和对核化临界功估算过大使核化率数值过低等问题,本文通过理论推导对表面自由能数值进行了定量修正,并提出了核化立方体微团的方法。在提出的核化立方体微团方法中,本文认为能量达到临界功的单个分子并不会立即引发核化,而是只有当形成一个立方体微团的所有分子总能量达到临界功时相变才会发生。本文根据改进的表面自由能模型和核化立方体微团的假设对均相核化率数学模型进行了改进,并利用改进的核化率数学模型对水在42℃至300℃下的核化率进行了求解。研究结果表明,与传统的均相核化率数学模型相比,改进的核化率数学模型能较好的用于求解均质相变条件下的核化率。     

用分子相互作用模型预测纯液体的均匀核化过热极限

采用液滴上升法测定纯液体的气泡均匀核化过热极值值，并用分子相互作用模型计算了９种纯液体的过热极限值；计算结果与实验，文献值均符合良好。     

金属粉末激光烧结的动态凝固特征

在实验的基础上,分析了激光烧结成形过程中的凝固组织特征及其形核机制,讨论了烧结工艺参数和运动熔池形状特征对动态凝固特征的影响.对烧结体进行分析的结果表明:烧结体的组织是以枝晶和等轴晶二种组织形态交替叠加而成,形成整个制件的组织呈周期性重复出现.     

压力对DNAN凝固过程的影响

为指导2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药凝固工艺优化设计,采用自制的多点加压凝固测试装置测试DNAN在0.6、0.3 MPa和常压下凝固过程的温度变化和凝固速率,用工业CT和扫描电镜观测试样的缺陷分布情况,用密度仪测试试样的装药密度。试验结果显示:随着压力的升高,DNAN的过冷度和凝固速率均逐渐增大;在DNAN装药体中,凝固产生的体积收缩更多集中于装药体上部,而装药体下部中的弥散性缺陷得到显著降低;DNAN晶粒生长的有序度得到提高,晶粒间空隙逐渐减少,装药相对密度由95.1%提高到了96.7%。上述研究表明,压力作用对DNAN的凝固过程影响较为明显,施加较低的压力即可有效提升装药质量。     

新型复合絮凝剂对疏浚底泥脱水和重金属固化的研究

模拟实际工程条件, 在实验室考察3种化学调节剂(聚合硫酸铁(PFS)、聚丙烯酰胺(PAM)和一种自配的复合絮凝剂(S003))对实际污染河流底泥的脱水效果。结果表明, 使用PFS和PAM处理后, 泥饼含水率分别为60.22%和64.77%; 用S003处理后, 泥饼的含水率为52.67%; 与PFS和PAM相比, S003处理的脱水速度更快, 具有更好的除浊效果。S003优良的脱水效果主要是由于其含有的无机成分的骨架作用和有机成分的桥接作用, 使底泥形成多孔结构的大絮体, 加快底泥沉降速度, 提高了底泥过滤性能。此外, 受污染的疏浚底泥经S003固化后, 固化体中Cr, Cu, Zn, Ni, Pb和Cd的浸出浓度分别减少55.8%, 92.1%, 89.2%, 61.4%, 34.2%和56.3%。研究结果表明, S003对底泥具有高效的脱水作用和重金属良好的稳定效果。     

聚焦光束粉末堆焊层的凝固组织形貌及其形成机理

研制了由光束发生器、聚焦系统、旋转气流送粉器、工作台组成的聚焦光束堆焊系统。堆焊层中凝固组织形态以及树枝晶生长方向取决于熔池凝固过程中的传热过程。45钢表面的Ni基合金堆焊层的微观组织呈现树枝晶形态,树枝晶沿堆焊方向前倾生长,堆焊层金属与母材金属间形成平面晶带,平面晶带依附于母材半熔化区联生结晶长大。     

基于实验与3D-CAFé法的高硅钢铸锭凝固行为

通过空冷和水冷实验研究了高硅钢的铸态组织,发现高硅钢铸态组织主要由粗大的柱状晶构成,水冷铸锭中柱状晶比例高达90%以上.依据铸锭的化学成分和晶粒统计结果,确定了3D-CAFE法模拟所需的枝晶生长动力学系数及高斯分布等参数.采用CAFE法对不同冷却条件下高硅钢的凝固过程进行模拟研究,发现空冷铸锭较水冷铸锭的温度场更均匀,糊状区更宽阔;空冷铸锭呈"过渡式"凝固,水冷铸锭呈"分层式"凝固;空冷流场较水冷流场更稳定,凝固末期冒口处出现明显的抽吸现象,而水冷模拟结果中未观察到该现象.组织模拟结果发现,模拟得到的高硅钢凝固组织无论是形貌还是晶粒尺寸都与实验结果相一致;最后通过改变浇注温度模拟研究了过热度对高硅钢凝固组织的影响,结果表明,随着过热度的降低,铸锭中心等轴晶率提高,晶粒数量增加,晶粒尺寸变得细小.     

共晶铸铁凝固过程的微观模拟

综合热传导方程与过冷形核、生长规律,用显式有限差分法模拟了共晶铸铁的凝固过程。给出了理论冷却曲线、冷却曲线、固相率及单位时间内潜热释放速度之间的关系及实验结果。讨论了铸件壁厚对显微组织及奥氏体/碳化物共晶转变趋势的影响。