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。     

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。     

Evaluation of the microstructure,secondary dendrite arm spacing,and mechanical properties of Al-Si alloy castings made in sand and Fe-Cr slag molds

The microstructure and mechanical properties of as-cast A356 (Al-Si) alloy castings were investigated. A356 alloy was cast into three different molds composed of sand, ferrochrome (Fe-Cr) slag, and a mixture of sand and Fe-Cr. A sodium silicate-CO₂ process was used to make the necessary molds. Cylindrical-shaped castings were prepared. Cast products with no porosity and a good surface finish were achieved in all of the molds. These castings were evaluated for their metallography, secondary dendrite arm spacing (SDAS), and mechanical properties, including hardness, compression, tensile, and impact properties. Furthermore, the tensile and impact samples were analyzed by fractography. The results show that faster heat transfer in the Fe-Cr slag molds than in either the silica sand or mixed molds led to lower SDAS values with a refined microstructure in the products cast in Fe-Cr slag molds. Consistent and enhanced mechanical properties were observed in the slag mold products than in the castings obtained from either sand or mixed molds. The fracture surface of the slag mold castings shows a dimple fracture morphology with a transgranular fracture nature. However, the fracture surfaces of the sand mold castings display brittle fracture. In conclusion, products cast in Fe-Cr slag molds exhibit an improved surface finish and enhanced mechanical properties compared to those of products cast in sand and mixed molds.     

带有电磁扰动的Bridgman定向凝固装置设计

应用同步辐射X射线成像技术,实现了电场作用下金属合金凝固过程的枝晶生长行为原位观察.自行设计并制作了一套带有电磁扰动的Bridgman定向凝固装置,该装置包括成像样品、电磁扰动装置、加热炉等,能够实现样品加热、微移、电磁扰动等功能.该装置用于北京和上海同步辐射光源的成像实验中,成功获得系列枝晶生长行为及形貌演变图像,原位观察到不同电压、电流、频率的脉冲电场对枝晶形态的动态影响.     

Cellular Automata法模拟材料微观组织结构

用CA(Cellular Automata,CA)法模拟材料微观组织结构的形成过程.模拟过程中考虑了形核过程的随机性与晶粒生长的确定性.采用连续形核模型来描述液相中的自发形核.基于简化的晶粒形状,建立了模拟晶粒生长的二维数学物理模型,开发了模拟程序并进行了二维模拟计算.     

相场方法在组织模拟中的应用

介绍了相场方法在材料组织模拟方面的发展历程、基本概念和理论基础,讨论了单场变量模型在模拟枝晶生长方面的进展和多场变量模型模拟多晶系统演变过程中晶粒消涨的情况。相场法的诸多应用结果表明,虽然相场法是建立在唯像的热力学理论基础之上,但只要确定出物理意义明确的相场变量,这一方法将真实地模拟材料组织的演变过程,成为研究组织演变的最有效手段之一。     

Fe-C二元合金凝固过程强制对流作用下柱状晶生长行为的数值模拟

文章在前期建立的微观元胞自动机模型的基础上,耦合动量传输模型、质量传输模型和热量传输模型,建立了考虑流体流动的宏微观多尺度二维枝晶生长数学模型CA-FVM。并采用CA-FVM模型研究了强制对流作用下Fe-0.82C二元合金凝固过程枝晶生长规律。数值模拟表明:强制对流明显地改变了枝晶生长规律,靠近强制对流入口处枝晶生长受抑制作用较明显,枝晶生长较慢,远离强制对流入口处枝晶受抑制作用较弱,枝晶生长较快。同时,随着强制对流强度的增加,枝晶生长受熔体流动的影响更加明显,加剧了枝晶的非对称生长。     

基于GPU的流动影响枝晶生长相场方法

将自适应压力迭代法修正的Sola算法与相场模型相结合,建立过冷熔体在强迫流动状态下枝晶生长的Sola-相场模型.针对传统方法求解多场耦合相场模型时存在的计算量大,计算时间长,计算效率低等问题,提出基于CUDA+GPU软硬件体系结构的高性能计算方法.以高纯丁二腈(SCN)过冷熔体为例,在CPU+GPU异构平台上实现了存在流动时凝固微观组织演化过程的并行求解,并对基于CPU+GPU平台与CPU平台的计算结果及计算效率进行比较.结果表明,当计算规模达到百万量级时,与CPU平台上的串行算法相比,在CPU+GPU异构平台上达到了24.39倍的加速比,大大提高计算效率,并得到与串行计算相一致的结果.     

亚快速凝固枝胞的转变

采用区域熔化定向凝固技术,研究了冷速在26～130K/s范围内Ni—5％Cu合金的组织转变过程。试验结果表明:在温度梯度1300K/cm情况下,生长速度在500～700μm/s区间上,结晶形貌发生枝胞转变。温度梯度对亚快速凝固组织影响很大。晶体生长方向影响结晶形态选择。     

锡离子添加剂在碱性溶液中对锌电极的作用

通过对锌酸盐和锡离子的共沉积研究了锡离子对锌酸的电沉积作用.实验结果表明锌酸盐的沉积形态从枝晶转变为的紧凑的小晶粒.随着锡离子添加剂含量的增加,锌枝晶被显著抑制.讨论了抑制机理.除了锡沉积在最优生长位置阻塞锌沉积外,锡上的高沉积过电位也是一个重要因素.