论文总字数：21011字

摘 要

对金属材料而言，其性能与材料的凝固微观组织密切相关。数值模拟技术可以将实际凝固过程比较准确地反映出来，它在材料领域中发挥着重要作用。目前，主要有三种微观组织数值模拟方法：确定性方法、概率方法和相场法。在模拟晶粒生长时，前两种方法都要跟踪固液界面，在模拟时有一定的困难。但相场法可以很有效地描述固液相界面的演变，因为它不需要对固液界面进行追踪，就可以模拟枝晶形貌，是目前凝固组织模拟的前沿研究领域。

在本文中，借助MICRESS®软件模拟了Al-Cu合金凝固过程中的枝晶生长行为，并对其进行了分析。结果表明，当各向异性系数变大时，枝晶的各向异性特征会更加明显；但各向异性系数过大会导致枝晶变异。当体系的初始温度降低时，二次晶臂间的距离先迅速减小；而当降低至某一温度时，有些晶臂之间会出现熔合现象，最终又使得晶臂间距增大。当凝固时的温度梯度较小时，会形成较多的二次枝晶，而温度梯度比较大时，二次枝晶的生长受到抑制，在一次枝干上呈点状、无规则分布。

关键词：微观组织 相场法 枝晶生长 数值模拟

Abstract

For metal materials, their properties are closely related to the solidification microstructure of materials. Numerical simulation technology can reflect the actual solidification process more accurately. It plays an important role in the material field. At present, there are three main numerical simulation methods for microstructure: deterministic method, probability method and phase field method. When simulating grain growth, the first two methods should track the solid-liquid interface, which is difficult to simulate. But the phase field method can effectively describe the evolution of the solid liquid interface, because it does not require the solid-liquid interface, can simulate the dendrite morphology, is the frontier research fields of organization of solidification simulation.

In this article, with the aid of MICRESS ® software to simulate the solidification dendrite growth in the process of Al-Cu alloy, and its are analyzed. The results showed that when the anisotropy coefficient of dendrites increased, the anisotropy characteristics of dendrites became more obvious. But the anisotropy coefficient is too high, which leads to dendrite variation. When the initial temperature of the system decreases, the distance between the secondary arms decreases rapidly. When the temperature drops to a certain temperature, some of the arms will fuse, which will eventually increase the distance between the arms. When the solidification temperature gradient is small, can form more secondary dendrite and the temperature gradient is larger, the secondary dendrite growth is restrained, branches in a dot, random distribution.

Keywords: microstructure；phase-field method；dendrite growth；numerical simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题的目的与意义 1

1.2 凝固相变理论 2

1.2.1凝固理论的发展过程 2

1.2.2凝固理论的研究方法 3

1.3 相场法 3

1.4 枝晶生长 5

1.5 MICRESS®软件使用介绍 6

第二章 相场法模拟的凝固理论基础及基本原理 8

2.1 液态金属凝固 8

2.1.1 结晶的驱动力 8

2.1.2 结晶过程中的溶质再分配 9

2.2 相场法的基本原理 10

2.3 MICRESS®相场模型的建立 11

第三章 相关参数的优化取值 15

3.1 各向异性 15

3.2 界面厚度 15

3.3 初始温度 17

第四章 二元单相合金枝晶生长的相场法模拟 20

4.1 等温凝固过程枝晶生长的模拟 20

4.2 非等温凝固过程枝晶生长的模拟 21

4.2.1枝晶的生长过程 22

4.2.2 温度梯度对枝晶形貌的影响 22

第五章 结论 25

参考文献 26

致 谢 29

第一章 绪论

1.1 选题的目的与意义

与钢、铁相比，铝的质量轻很多，而且铝具有很多其它优良的特性，如密度小，耐蚀性高，塑性和加工性能好。但纯铝的力学性能不高，通常都会在铝中加入合金元素制成铝合金来提高其力学性能。有些铝合金经过热处理之后，其性能可以和钢铁材料相比。铝合金的众多优点使其成为目前工业中使用量仅次于钢铁的第二大类金属材料^[1]。相对于纯铝而言，铝合金的力学性能很好^[2-3]。Al-Cu合金具有较高的强度和塑性以及较好的易切削加工性^[4]。但Al-Cu合金铸造性能差，容易产生裂纹和缩松。低浓度的 Al-Cu 合金是单相组织，其热物性参数的获取也比较容易，这样有利于模拟。

图1-1 Al-Cu合金二元相图

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