枝晶生長微觀模型及應用

第1章枝晶生長理論基礎 001
1．1金屬凝固的熱力學基礎 001
1．1．1單元材料的相平衡 001
1．1．2二元合金的相平衡 002
1．1．3相圖計算 006
1．1．4溶質(zhì)再分配 007
1．1．5溶質(zhì)捕獲 007
1．2形核 008
1．2．1均質(zhì)形核 009
1．2．2異質(zhì)形核 011
1．3晶體微觀生長機制 015
1．4合金的固液界面穩(wěn)定性 017
1．4．1成分過冷 018
1．4．2MS理論 019
1．5樹枝晶生長理論 021
1．5．1過冷熔體中枝晶生長 021
1．5．2定向凝固樹枝晶生長 026
1．6液相對流對枝晶生長的影響 027
1．7界面能各向異性對枝晶生長的影響 028
參考文獻 029
第2章微觀組織模擬方法 032
2．1傳熱傳質(zhì)模型 032
2．1．1控制方程 032
2．1．2有限差分法 033
2．1．3有限元法 034
2．1．4有限體積法 037
2．1．5格子-Boltzmann法 039
2．2凝固過程微觀組織模擬方法 041
2．2．1確定性方法 041
2．2．2概率方法 043
2．2．3相場方法 047
參考文獻 048
第3章凝固過程枝晶生長的相場法模擬 050
3．1概論 050
3．1．1相場法 050
3．1．2相場模型 052
3．1．3凝固特征值的計算 057
3．1．4相場法模擬凝固微觀組織 058
3．2純物質(zhì)過冷熔體枝晶生長的相場法模擬 062
3．2．1純物質(zhì)枝晶生長的相場模型 062
3．2．2相場控制方程的離散 069
3．2．3純物質(zhì)Ni過冷熔體枝晶生長的模擬 072
3．2．4小結(jié) 074
3．3Al-Si合金等溫凝固枝晶生長的相場法模擬 075
3．3．1二元合金等溫凝固過程的相場模型 075
3．3．2相場控制方程的離散 077
3．3．3初始條件和邊界條件 078
3．3．4Al-2mol%Si合金等溫凝固單個枝晶生長的模擬 078
3．3．5Al-2mol%Si合金等溫凝固多個枝晶生長的模擬 084
3．3．6Al-2mol%Si合金等溫凝固枝晶粗化 087
3．3．7小結(jié) 089
3．4Fe-C-Mn三元合金等溫凝固枝晶生長的相場法模擬 089
3．4．1Fe-C-Mn三元合金相場模型 089
3．4．2Fe-1．0mol%C-0．1mol%Mn合金等溫凝固枝晶生長模擬 090
3．4．3小結(jié) 092
3．5Ti-45at%Al合金等溫凝固枝晶生長的相場法模擬 092
3．5．1Ti-45at%Al合金相場模型的建立 092
3．5．2Ti-45at%Al合金等溫凝固枝晶生長的模擬 094
3．5．3相場參數(shù)對枝晶形貌的影響 096
3．5．4小結(jié) 101
3．6相場模擬的前景與挑戰(zhàn) 102
3．6．1枝晶生長方向的轉(zhuǎn)變 103
3．6．2微重力凝固實驗 103
參考文獻 105
第4章元胞自動機法模擬枝晶生長 108
4．1元胞自動機模型的發(fā)展 108
4．2二維元胞自動機模型模擬枝晶生長 111
4．2．1模型建立 111
4．2．2模型驗證 112
4．2．3丁二腈-2．5wt%乙醇合金凝固組織模擬 113
4．3三維元胞自動機模型 117
4．3．1熱和溶質(zhì)擴散方程 117
4．3．2形核率計算 118
4．3．3固液界面生長速度和固相分數(shù)的計算 120
4．3．4固液界面平衡溶質(zhì)濃度計算 120
4．4Al-Cu合金過冷熔體中的枝晶生長 121
4．5Al-Cu-Mg合金枝晶生長模擬 125
4．6Al-Cu-Mg合金定向凝固枝晶生長模擬 129
4．6．1Al-Cu-Mg合金定向凝固二次枝晶間距 129
4．6．2一次枝晶間距選擇過程 129
4．6．3凝固速度對枝晶間距的影響 132
4．6．4Mg含量對枝晶間距的影響 133
4．7Al-Cu-Mg合金等軸晶生長模擬 133
4．7．1異質(zhì)形核及枝晶生長過程 133
4．7．2冷卻速率對凝固組織的影響 134
4．7．3形核接觸角對凝固組織的影響 135
4．7．4形核質(zhì)點密度對凝固組織的影響 136
4．8流動作用下Al-Cu合金的枝晶生長 137
4．8．1流動對等軸晶生長的影響 137
4．8．2來流對過冷熔體中枝晶生長的影響 137
4．8．3流動對柱狀晶生長模擬 141
4．9格子-Boltzmann方法模擬流動作用下枝晶生長 142
4．10重力作用下Al-Cu合金枝晶沉降 144
4．10．1虛擬區(qū)域-拉格朗日方法 144
4．10．2Al-Cu合金過冷熔體中等軸晶生長 145
參考文獻 146