控制单相合金凝固界面形态非线性动力学方程

在非平衡非线性区内,假定在固液界面处为“局域平衡”,考虑了固液界面曲率的非线性、固液界面处温度和成分的非线性,建立单相合金凝固过程中固液界面扰动振幅随时间变化的非线性动力学方程,根据此非线性方程,可以得出在非平衡非线性区内,晶体生长的过程是一非平衡自组织的过程,它可以控制晶体从非稳态到稳定态生长的全过程。     

多元合金凝固界面形态演化模型

结合计算相图, 并在考虑了合金组元间的非线性交互作用的基础上, 充分考虑浓度场、温度场、界面张力效应和动力学效应的耦合作用过程, 对多元合金凝固界面形态演化进行了较为细致的研究, 发展了一个适用于多元合金定向凝固界面形态演化的准三维自洽模型.     

凝固平界面的非线性不稳定性与动力学分岔

采用对凝固平界面正弦式干扰被凸缘的曲率、温度及其梯度、溶质浓度及其梯度进行平均的方法,导出了正弦式干扰波振幅随时间演化的非线性力学方程。对该方程定态解的非线性不稳定性和动力学分岔分析结果表明：（1）平＝胞转变的动力学分岔方式因界面温度梯度大小的不同而不同;在小的界面温度梯度范围内为准亚临界－滞后分岔;中等温度梯度条件下为超界－滞后分岔;大的界面温度梯度条件下则为超临界分岔;（2）在快速凝固区,胞状界面向平界面的转变总是以超临界倒分岔的方式实现的。     

定向凝固界面形态演化及其稳定性的相场法研究

采用B—S相场模型研究了二元合金定向凝固过程中抽拉速度和温度梯度两种凝固参数对界面形态演化、溶质分布、溶质截留及界面稳定性的影响．模拟结果再现了随抽拉速度和温度梯度的变化凝固界面形态发生深胞→浅胞→平界面的演化过程，比较了不同抽拉速度和不同温度梯度下一次间距、沟槽深度以及有效溶质分配系数等参数，预测了高抽拉速度和高温度梯度条件下的绝对稳定性，模拟结果与M—S稳定性理论吻合良好．     

定向凝固下共晶合金中相的竞争生长

通过讨论定向凝固下共晶合金中各相的凝固界面温度, 获得了共晶组织凝固的速率区间. 分析了有初生相下不同凝固速率中共晶凝固组织对应的固相成分, 给出了共晶合金出现共晶晕圈组织和同时存在α 相、β 相和(α+β)共晶三者竞争生长的凝固条件. 对Sn-Pb和Al-Si共晶合金的计算结果表明, Sn-Pb共晶合金定向凝固下不存在α相、β相和(α+β)共晶三者同时竞争生长的凝固组织, 也不存在共晶晕圈组织, 但Al-Si共晶合金中这两类组织都有可能存在, 数值计算结果与实验结果基本吻合.     

定向凝固速率跃迁下平界面处液相溶质浓度变化及界面失稳

单相合金定向凝固时，固液界面处液相溶质浓度会受抽拉速率的跃迁变化而发生较大的改变．理论分析和数值计算结果表明：当抽拉速率从V0跃迁变化到V时，定向凝固系统并不能立即达到抽拉速率V,而是经过一个非稳态凝固过程才能达到矿跃迁加速中，界面处液相溶质浓度呈现小大小的不对称分布，且刚开始时，界面处液相的溶质浓度随抽拉速率跃迁比V/V0，原始抽拉速率V0和温度梯度GL增加而增大，相应的溶质扩散长度随V/V0和GL增加而减小．对于跃迁减速过程，变化情形刚好相反．另外在跃迁加速中，即使合金跃迁变化的抽拉速率仍处于平界面临界失稳速率范围之内，如果固液界面处液相溶质浓度过大，也会使合金凝固的平界面发生失稳现象．上述分析结果在Al-2％Cu合金的数值计算中得到了验证．     

合金凝固列状晶/等轴晶转变

在考虑合金组元局部线性叠加的基础上, 结合计算相图, 对多元合金凝固枝晶列状/等轴生长特性进行了系统的研究. 通过考虑枝晶生长界面前沿的形核生长及竞争, 发展了一个适用于多元合金凝固列状晶/等轴晶转变的理论模型, 其与实验结果能很好的吻合.     

利用落管研究微重力环境对中低熔点合金凝固过程的影响

利用50 m落管对Al-Ni、Al-Cu、Ag-Cu、Al-Pb和Cu-Co等几种合金在真空下自由落体前后的硅油快淬凝固组织进行了对比研究, 分析和讨论了微重力对中低熔点共晶、偏晶和包晶合金凝固过程的影响. 研究结果表明, 微重力对共晶合金共晶胞的生长形貌、晶胞内共晶相的生长形貌及共晶层片间距的影响因合金体系不同而不同; 微重力使Al-Pb过偏晶合金中Pb粒子的尺寸和分布发生重大变化; 微重力还使Cu-Co包晶合金中初生α-Co相的生长形貌发生改变. 此外, 研究还发现Al-Al₃Ni共晶在落管中凝固时呈现出罕见的规则颗粒状共晶形貌. 这些结果对于人们进一步认识和分析微重力条件下复相合金的凝固行为具有参考价值.     

熔体过热对Sn—Bi40合金熔体结构转变及凝固组织的影响

以Sn－40wt％Bi合金为研究对象,探索了其在不同温度下恒温过程熔体电阻率随时间的变化规律,以及不同熔体状态与凝固行为及组织的关系．结果显示：在一定的临界温度以上,熔体保温相应时间后电阻率发生异常变化,提示熔体发生了结构变化;且随过热温度的提高,熔体结构转变所需“孕育期”愈短,转变速度愈快．凝固实验表明,一定过热度及相应保温时间所引起的熔体结构状态不同,导致凝固过冷度增大、晶粒明显细化且形态也发生改变．进一步的探索还表明,对应特定保温时间,凝固过冷度在一定的熔体过热温度下出现最大值．对上述现象的作用机理进行了简要的分析讨论．     

非线性随机动力学与控制研究进展及展望

随机动力学系用概率与统计方法研究自然界、工程及社会中各种随机动力学过程与现象。经一个世纪的发展,非线性随机动力学与控制已有相当的理论方法,主要是扩散过程理论方法。本文概述该理论方法,特别是作者提出与发展的非线性随机动力学与控制的Hamilton理论体系框架。最后建议各领域随机动力学与控制研究者进行跨学科的合作研究。     

强磁场下不同溶质含量过共晶Al-Ni合金凝固组织中Al3Ni初生相的定向排列

在不同溶质元素含量的过共晶Al-Ni合金的凝固过程中施加均恒强磁场,研究了Al-Ni初生相的定向排列行为．结果发现,均恒磁场能够使Al3Ni初生相均匀分布．而且,在平行于磁场方向的截面上Al3Ni初生相沿垂直于磁场方向发生定向排列,呈相互平行的链条状组织．但是,Al-Ni初生相晶体取向和定向排列是不同的,当初生相发生晶体取向时,却不一定发生定向排列．当溶质元素含量增大时,发生定向排列的Al3Ni初生相的量会明显减少．分析认为,合金中Ni溶质元素含量越低,磁场强度对溶质浓度场的影响越显著,Al3Ni初生相的定向排列效果越好．