材料微观组织CA法模拟的研究现状

建立微观组织演变模型,模拟晶粒形核生长过程及组织分布和偏析情况在近年来已经成为国内外科研工作者的研究热点。在微观组织的模拟方法中,常用的有蒙特卡罗(MC)法和元胞自动机(CA)法。CA法由于其模型结构简单,在空间和时间尺度上都不受限制,适合于大型机的并行计算,而受到更多研究者的青睐。研究表明CA法在金属凝固,静态再结晶及轧制变形所引起的动态再结晶等过程的模拟中,表现出了其特有的优越性。概述了元胞自动机(CA)方法在微观组织模拟中的建模方法及应用,并综述了目前此方面研究工作的进展现状。     

搅拌剪切作用下凝固组织演变过程的数学描述

分析了凝固组织在搅拌剪切作用下的有效溶质分配系数,将凝固速度和搅拌转速作为凝固组织演变过程的主要因素,建立了凝固组织演变与凝固速度和搅拌转速的数学模型. 结果表明:搅拌转速和凝固速度对凝固组织的形貌有较大影响,增大搅拌转速和降低凝固速度有利于提高形状因子. 通过与实验结果比较,数学模型与实验结果基本一致.     

铝合金微观组织模拟及并行计算

微观组织模拟计算规模庞大,对宏观铸件进行整体微观组织模拟存在极大困难,为此该文将CA(cellularau-tomaton)模型与宏观的传热计算相结合,模拟砂型和金属型铝合金铸件的凝固组织形成过程,提出了改进的CA模型,用更接近实际晶粒轮廓的方法对微观组织进行模拟。在串行算法的基础上开发了相应的并行算法,该算法在保证原有计算精度的前提下,极大地提高了计算规模和效率。对试验结果和模拟结果进行了对照分析,二者基本一致。     

连铸坯凝固晶粒生长的元胞自动机模型

首次将元胞自动机(Cellular Automata, CA)方法和有限差分法结合起来,建立了连铸坯凝固时内部等轴晶和柱状晶的随机形核和晶粒生长模型。结合某钢厂实际生产情况,对实际工况下连铸坯凝固组织进行模拟,再现了连铸坯内部组织的演变规律,发现晶粒呈现等轴晶〖XC半字线.tif,JZ〗柱状晶〖XC半字线.tif,JZ〗等轴晶的转变,以及不同工艺制度下3个晶层的厚度情况,表面激冷层和中心等轴晶层厚度随拉速增加而减小,随下钢水过热度降低而增大,但柱状晶层厚度却随拉速和钢水过热度的增加而增加。仿真结果对晶粒的随机形核、晶粒的择优生长、竞争生长以及晶粒的随机取向都有比较好的体现。     

垂直连铸凝固过程的数值模拟研究

采用基于Eulerian-Eulerian方法和合金凝固理论的液相-柱状晶-等轴晶三相凝固模型，对立式连铸工艺中结晶器内的凝固过程进行了研究.对比焓-多孔介质凝固模型，除热溶质浮升力导致的熔体流动，该三相凝固模型还考虑了柱状晶组织的生长、等轴晶组织的形成和演变以及游离等轴晶粒的沉浮，揭示了等轴晶沉降漂移作用对宏观溶质传输及凝固组织分布的影响.模拟结果显示铸坯中心处由等轴晶粒沉积形成的富等轴晶区存在溶质负偏析，紧邻该负偏析区域存在带状偏析区域.随着钢液过热度增加，等轴晶分布减少，中心处宏观偏析加重.     

双辊薄带凝固过程的宏观-微观耦合数学模型

以热焓法处理结晶潜热和以假设的流线边界划分网格节点,在对KGT枝晶生长动力学模型进行修正的基础上,引入异质形核模型和柱状晶等轴晶转变(CET)模型,建立了双辊薄带凝固过程的宏观-微观耦合数学模型.同时,以固相分数为媒介,采用宏观微观不同的网格尺寸和时间步长,通过对柱状晶生长前沿的追踪,实现了宏观-微观模型的耦合求解.实验表明:数学模型预测的薄带凝固组织中的柱状枝晶间距和取向度与实测值基本吻合,说明所建数学模型是可靠的,可用此模型研究工艺因素变化对薄带凝固组织的影响.     

镍基高温合金焊缝凝固裂纹敏感性研究

本文研究了合金元素对镍基高温合金焊缝凝固裂纹的影响,表明在凝固裂纹断面上存在Nb,Ti,Mo,Si等元素偏聚的现象。通过对20种高温合金和8个合金元素进行重回归分析,得到了焊缝凝固裂纹敏感性系数P_(sc)。     

Ag-Cu中间层声致瞬间液相连接镁合金界面行为及性能研究

为了进一步扩展镁合金在工业上的应用.在大气环境下,Ag-28Cu箔作为中间层用声致瞬间液相连接方法对MB8镁合金进行焊接,采用不同的工艺条件(超声时间、焊接温度)下,得到无焊接缺陷的焊接接头,通过光学显微镜观察和分析了其焊接件横截面微观组织结构.焊缝中组织进行等温凝固,产生固溶强化,对接头的力学性能产生了积极的影响,接头的最高强度达到96 MPa,断裂大部分发生在焊缝,少部分发生在母材.     

基于扩展CA模型的武汉市城市土地集约优化配置研究

许多地理现象的演变与其影响要素之间存在着复杂的关系,并往往具有时空动态性.本文针对城市土地集约优化配置的实际情况,引入元胞自动机(CA)模型,对其主要参数元胞、状态、转换规则、平滑规则等进行修正,提出了基于GIS和CA的城市土地集约优化配置思路;并以武汉市为例进行了实证研究,经构建CA优化配置模型后进行局部优化,结果表...     

易切削钢9SMn28凝固过程的CAFE法模拟

为了耦合缩孔和疏松模拟凝固过程三维微观组织,对元胞自动机--有限元(CAFE)法的物理本质和数值计算方法进行了分析,采用CAFE法对易切削钢9SMn28铸件进行了凝固过程、缩孔和疏松及三维微观组织的模拟.模拟结果表明:在空冷条件下,铸件表层的凝固是在连续降温过程中进行的,内部是先等温凝固,后降温凝固;缩孔和疏松模拟结果与实际铸件的基本相符;实现了9SMn28合金三维微观组织的模拟,模拟结果与实验吻合较好.     

材料凝固时晶粒生长-粗化的二维元胞自动机模型

建立了模拟凝固进行时晶粒成核、生长与粗化过程以及凝固完成后晶粒粗化过程的二维元胞自动机模型,模型中将原子在固/液界面、晶界面的迁移过程以概率的方式表现在元胞网格演化的规则中.模拟结果表明,所建立的模型可以合理地描述晶粒在凝固过程中的生长-粗化过程.应用本模型分析了冷却率、结晶取向数、温度等因素对于晶粒微观结构演化的影响.研究结果表明:大冷却率有助于得到细小的晶粒;当结晶取向数大时晶粒较小;保温温度低会抑制晶粒粗化.     

Hastelloy C-276合金脉冲激光焊接熔池流动行为分析

根据传热学和流体力学基本原理建立瞬态Nd:YAG脉冲激光焊接熔池三维数值分析模型,研究Hastelloy C-276合金薄板脉冲激光焊接过程中熔池液态金属流动的基本规律.利用Fluent软件,采用有限容积法求解控制方程,用SIMPLE算法处理压力与速度耦合.引入Ma来评价焊接熔池的流动特性,并指出了焊接熔池中出现重熔轮廓线的原因.通过与实测温度场对比,验证了所建模型的准确性.模拟分析表明:脉冲激光焊接过程中存在较微弱的Marangoni对流现象;牛顿剪切应力的存在使熔池表层流体对流剧烈.此模型可为Hastelloy C-276合金薄板脉冲激光焊接熔池流体流动行为分析提供理论依据.     

强制对流作用下溶质枝晶生长的CA-LBM模拟

应用一个二维的元胞自动机(cellular automata, CA)-格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM) 耦合模型,对合金等温凝固过程中溶质枝晶在强制对流作用下的生长规律进行了模拟研究.该耦合模型采用CA方法模拟枝晶生长,同时采用基于分子动理论的LBM模拟枝晶生长过程中的流场和浓度场.应用该模型模拟分析了过冷度和成分等因素对Al-Cu合金在纯扩散和对流作用下单枝晶的生长规律的影响.结果表明,在纯扩散条件下,模拟的枝晶稳态生长尖端速度、半径、Peclet数和过冷度的关系与Lipton-Glicksman-Kurz (LGK)模型的预测结果吻合良好.对流作用下枝晶的生长形貌呈现出了不对称性,枝晶的生长在上游方向得到促进,而在下游方向受到抑制.合金成分和初始过冷度等因素会对枝晶形貌和生长动力学产生影响.     

TIG焊流动、传热及界面跟踪动网格数值模拟

基于磁流体力学(magnetohydrodynamics,MHD)模型,采用动网格技术(dynamic mesh method,DMM)跟踪电弧-熔池界面,建立了钨极惰性气体(tungsten insert gas,TIG)保护焊过程耦合流动、传热、凝固熔化及动网格界面跟踪的数学模型.首先计算自由燃弧,得到了准确的弧区速度、温度及压力等参数.然后分别验证了熔池内电磁力、热浮力、等离子流曳力和Marangoni力4个驱动力.考虑上述电弧-熔池相互作用,基于压力的动态平衡跟踪界面,计算了304不锈钢TIG焊过程,得到了等离子体冲击造成的熔池中央下凹及边缘上凸现象.结果表明,本模型可以得到更准确的界面及熔池形状.     

Al-12.7Si-0.7Mg合金交流TIG焊接头组织与性能

采用进口ER4043和ER4047作为填充焊丝对Al-12.7Si-0.7Mg合金热挤压板材实施交流TIG直缝对焊.利用金相观察、显微硬度测定及拉伸性能测试等方法研究了焊接接头的显微组织与力学性能.结果表明:在所选的焊接工艺参数条件下,交流TIG焊可以获得焊缝质量良好的焊接接头;焊缝区(WZ)是明显的熔融金属激冷形成的铸态组织,热影响区(HAZ)Si颗粒有聚集长大的趋势;接头显微硬度分布显示硬度在焊缝区达到最高,在熔合区急剧下降,在热影响区达到最低.两种焊丝焊接接头抗拉强度都达到基材的90%以上.     

CA Investment Casting Process of Complex Castings

CA (Computer aided) investment casting technique used in superalloy castings of aerospace engine parts was presented. CA investment casting integrated computer application, RP (Rapid Prototyping) process, solidification simulation and investment casting process. It broke the bottle neck of making metal die. Solid model of complex parts were produced by UGII or other software, then translated into STL(Stereolithography) file, after RP process of SLS(Selective Laser Sintering), wax pattern used in investment ...     

不锈钢薄板大功率激光点焊温度与应力特性研究

以0.5 mm厚的304不锈钢薄板为研究对象,采用热-结构间接耦合法,获取其在3 000 W功率光纤激光器点焊加工过程中温度场和应力场的分布特点及变化特性.在温度场模拟过程中采用修正的锥形热源模型,并将模拟得到的焊点形状与实验得到的形状进行对比.结果显示:运用该修正热源模拟得到的温度场分布特点与实际加工过程相吻合; 模拟得到熔池的凝固速度均在4 000 K·s^-1以上,属于远离平衡态的快速凝固; 在焊接过程中,计算域的最大等效应力均分布在夹具位置,且在熔池周围出现环状的高应力区.     

用电磁搅拌抑制LD10CS铝合金焊缝热裂纹的研究

通过对间歇交变纵向磁场作用下ＬＤ１０ＣＳ铝合金ＴＩＧ氦弧焊焊缝的宏观、微观组织分析,研究了电磁搅拌方法对铝合金焊缝结晶裂纹的影响规律,探讨了电磁搅拌抑制ＬＤ１０ＣＳ铝合金焊缝金属结晶裂纹的机理,并得到了试验条件下最佳的磁场参数．     

液化气罐焊接质量的控制

本文对液化气罐体焊缝和热影响区在高温冶金反应、结晶动力学及热循环的作用下,产生的一次结晶和二次结晶的组织形态、性能特征作了分析。实践表明,焊接夹杂和气孔是引起罐体焊缝裂纹或导致爆炸的主要原因。为此,作者提出,为了保证液化气罐焊接质量,必须从冶金和工艺两方面采取有效措施,迅速建立焊接质量监控系统,对焊接检验手段要进一步完善。