Al-Mg合金熔体快速凝固过程中微观结构演化机理的模拟研究

采用分子动力学方法对Al₅₀Mg₅₀合金熔体的快速凝固过程进行了模拟,并采用双体分布函数、键型指数法和原子团类型指数法等方法,从微观结的不同层面对Al-Mg合金熔体快速凝固过程中微观结构的演化机理进行了深入的分析研究.结果表明：本模拟所获得的Faber-Ziman偏结构因子与实验结果符合较好.Al₅₀Mg₅₀合金熔体具有遗传性,在快速凝固过程形成了非晶态结构,其中二十面体短程序结构对非晶态结构的形成起决定性作用.基于原 关键词： Al-Mg合金熔体 快速凝固过程 分子动力学模拟 微观结构     

Zr65Cu17.5Ni10Al7.5合金定向凝固组织特征及其与重力场取向的关系

研究了Zr₆₅Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5合金定向凝固过程中组织形态的演变特征，探索了不同的凝固方向与重力场方向间的相互取向关系对凝固组织形态的影响.存在着一个临界抽拉速度V_fc,当抽拉速度大于该临界值时组织方向性变差.该合金本身的物理性质决定了它具有一个较小的临界值(V_fc=5mm/min).不同的凝固方向与重力场的相对取向关系改变了液-固界面前沿的浮力对流状态.当凝固方 关键词：     

二元合金高速定向凝固过程的相场法数值模拟

利用相场法对二元合金高速定向凝固过程进行了模拟，为简化计算，采用了温度冻结近似.模拟了定向凝固时平界面失稳、界面形态演化、溶质浓度分布以及高速绝对稳定性条件下胞晶向平面晶的转变等，得到了不同抽拉速度下胞晶间距、胞晶尖端温度以及有效溶质分配系数等参数，显示了高速生长条件下的溶质截留效应. 关键词： 定向凝固 相场法 高速绝对稳定性 溶质截留     

Ti-6Al-4V合金中片层组织形成的相场模拟

Ti-6Al-4V是典型的α+β钛合金,不同热处理制度和热加工工艺下可得到形貌各异的微观组织,从而表现出不同的力学性能,深刻理解合金中微观组织的形成机制有助于合金的进一步优化和改造.采用相场方法模拟Ti-6Al-4V合金中片层组织的形成及演化,以热力学数据库和动力学数据库为输入,通过计算定量预测β晶界上已存在初生α相时合金组织随时间的演化.结果表明,在一定条件下,随着时间的延长晶界α向β晶内生长形成片层组织,片状α簇的形貌与界面能各向异性密切相关;晶界取向对片层生长有重要作用,垂直于晶界生长时产生最密集的片层,随倾斜角增大片层加厚且生长缓慢;此外,热处理温度显著改变片层组织形貌,温度越高,片层尖端生长速度越慢,片层间距越大. 关键词： Ti-6Al-4V 相场模拟 片层组织     

强磁场对Al-Si合金凝固组织中硅分布的影响

为了揭示强磁场对金属凝固组织的影响规律，本文研究了Al-14.98%Si(质量分数)和Al-9.2%Si(质量分数)合金在强磁场作用下凝固组织的变化趋势，分析了强磁场对合金凝固组织中Si分布的影响.研究发现，均恒磁场和梯度磁场分别通过洛伦兹力和磁化力的作用对合金的凝固组织产生影响，强磁场可以显著改变初晶硅在合金中的分布状况.在均恒磁场作用条件下初晶硅在合金中均匀分布；在梯度磁场条件下，由于磁化力和浮力的共同作用，初晶硅在试样的上部或下部聚集.同时，磁化力也改变了共晶体在合金中的组织形态，使试样上部和下部共晶体的层片间距明显不同.理论和实验分析表明，Al-Si合金在强磁场中凝固时，磁场能作用于凝固过程，使共晶体中的Al含量增大，共晶点向左偏移. 关键词： 强磁场 凝固过程 共晶组织 Al-Si合金     

液态合金Ni3Al慢冷过程的计算机模拟

采用F-S多体势对液态合金Ni3Al在4×1011K·s-1的冷速下冷却时的微观结构及其转变机制进行了分子动力学模拟,得到了不同冷速下各温度的双体分布函数;采用HA键型指数法和键取向序对其结构进行了分析,结果表明Ni3Al出现明显结晶,晶体的形成过程中有能量突变.模拟得到的扩散系数值与实验值基本吻合.     

横向限制下凝固微观组织演化的相场法模拟

凝固过程中横向限制挡板的存在对晶体微观结构的演化存在重要的影响, 不同性质的横向挡板将产生不同的限制效应, 对最终凝固微观组织形成起着决定性作用. 本文利用非等温相场模型, 定性地模拟了纯金属Ni凝固过程中横向限制的存在对其枝晶微观形貌演化的影响, 研究了不同尺寸及性质的横向挡板对枝晶微观结构形成的影响, 讨论了横向限制对不同初始枝晶间距枝晶形貌发展的作用. 计算结果表明, 横向限制挡板的存在将直接影响凝固过程中微观组织的形貌演化过程并最终改变微观结构. 随着横向挡板间距的减小, 微观组织变化更加明显; 挡板初始温度越低, 枝晶形貌改变越明显; 初始枝晶间距越大, 形貌变化越明显; 不同挡板高度对微观结构具有基本相同的影响. 关键词： 相场模拟 微观组织演化 横向限制     

Fe-Pb合金凝固多相体系内偏析形成过程的三维数值模拟

基于Eulerian-Eulerian方法和流体体积技术,建立了三维多相流体动力学凝固模型,并将其与质量、动量、溶质和热焓守恒方程相耦合,对Fe-Pb合金侧向凝固过程进行了数值模拟.首先,分析了分布面积二次梯度((SPb))和浓度二次梯度((CPb))对偏析模式的影响,结果表明:液、气两相的流动相变使偏析模式表现为上端X形下端V形,X偏析由气相相变驱动力和多取向相变作用下的"散射"形成;ttc时,随(SPb)和(CPb)曲线降低,X偏析的下偏析角增大,上偏析角和V偏析角减小,Pb收得率增大,有利于获得含量稳定弥散的凝固组织.此外,还研究了液、气两相交互流动下通道偏析的形成机理,结果表明:通道偏析仅存在于流动-相变交互作用(ul·cl和ug·cg)为负值的区域,该区域的流动扰动抑制合金的局部凝固,促进偏析通道生长;流动-相变交互作用负值越小,偏析通道持续增长越稳定.模拟结果与实验结果相符合,验证了模型的准确性.     

液态Mg7Zn3合金快速凝固过程中微观结构演变机理的模拟研究

采用分子动力学方法对液态Mg₇Zn₃合金的快速凝固过程进行了模拟研究,并采用双体分布函数、Honeycutt-Andersen键型指数法、原子团类型指数法(CTIM)以及遗传跟踪等方法对凝固过程中团簇结构的形成、演变特性进行了分析.结果表明:在以冷速为1×10¹² K ·s^-1的凝固过程中, Zn-Zn原子之间的相互成键的概率明显增加,形成以1551,1541,1431键型为主的非晶态结构.其特征键型1551随温度变化 关键词： 液态MgZn合金 快速凝固过程 微观结构演变 分子动力学模拟     

铸锭凝固组织对相应非晶合金晶化过程中二十面体准晶相形成动力学的影响

通过在真空电弧熔炼炉内对合金铸锭进行反复熔炼处理，获得到了凝固组织不同的Zr₆₅Al_7.5Cu_12.5Ni₁₀Ag₅合金铸锭.在相同的制备条件下，由凝固组织不同的合金铸锭通过吸铸法制备得到了薄片非晶合金.利用差示扫描量热法(DSC)对非晶合金的晶化动力学进行了分析.x射线衍射谱表明，在Zr₆₅Al_7.5Cu_12.5Ni₁₀Ag₅非晶合金晶化过程中，二十面体准晶相(I相)作为初生相析出.Kissinger分析结果表明，合金铸锭的凝固组织细化，相对应的非晶合金发生晶化时，I相形成与分解的有效激活能都增大，说明非晶合金及析出的I相的热稳定性都提高.从结构的遗传性角度就合金铸锭凝固组织对相应非晶合金晶化过程中二十面体准晶相的形成动力学的影响进行了讨论. 关键词： 二十面体准晶相 晶化动力学 凝固组织     

脉冲磁场下金属熔体凝固流场的数值模拟

用ANSYS55有限元数值模拟软件对铝合金熔体凝固过程中的流场作了数值模拟，模拟结果和实验现象相符合.通过数值模拟发现，用数值模拟的方法不仅可以初步了解凝固过程中熔体的流动状态，而且可以了解凝固组织细化和产生缺陷的原因.因此，是一个值得注意的研究方向，有较大的实用价值.     

A simulation study of microstructure evolution during solidification process of liquid metal Ni

A molecular dynamics simulation study has been performed for the microstructure evolution in a liquid metal Ni system during crystallization process at two cooling rates by adopting the embedded atom method (EAM) model potential. The bond-type index method of Honeycutt--Andersen (HA) and a new cluster-type index method (CTIM-2) have been used to detect and analyse the microstructures in this system. It is demonstrated that the cooling rate plays a critical role in the microstructure evolution: below the crystallization temperature $T_{\rm c}$, the effects of cooling rate are very remarkable and can be fully displayed. At different cooling rates of $2.0\times10^{13}$\,K\,$\cdot$\,s$^{-1}$ and $1.0\times10^{12}$\,K\,$\cdot$\,s$^{-1}$, two different kinds of crystal structures are obtained in the system. The first one is the coexistence of the hcp (expressed by (12 0 0 0 6 6) in CTIM-2) and the fcc (12 0 0 0 12 0) basic clusters consisting of 1421 and 1422 bond-types, and the hcp basic cluster becomes the dominant one with decreasing temperature, the second one is mainly the fcc (12 0 0 0 12 0) basic clusters consisting of 1421 bond-type, and their crystallization temperatures $T_{\rm c}$ would be 1073 and 1173\,K, respectively.     

Numerical study of growth competition between twin grains during directional solidification by using multi-phase field method

A multi-phase field model is established to simulate the growth competition and evolution behavior between seaweed and columnar dendrites during directional solidification.According to the effects of surface tension and interfacial energy,we quantitatively analyze the influences of factors such as inclination angles,pulling velocity,and anisotropic strength on twin growth.The results demonstrate that the pulling velocity and anisotropic strength have an important influence on the morphology and evolution of the seaweed and dendritic growth.The low pulling velocity and anisotropic strength are both key parameters for maintaining the stable morphology of seaweed during competitive growth in a bicrystal,showing that the lateral branching behavior is the root of the dendrites that can ultimately dominate the growth.And it is clarified that the lateral branching behavior and lateral blocking are the root causes of the final dominant growth of dendrites.With the increase of anisotropy strength,the seaweed is eliminated fastest in case 1,the seaweed is transformed into degenerate dendritic morphology,and eliminates the seaweed by promoting the generation and lateral growth of the lateral branches of the dendrites.The increase of pulling velocity is to increase the undercooling of favorable oriented grain and accelerate the growth rate of dendrites,thus producing more new primary dendrites for lateral expansion and accelerating the elimination rate of unfavorable oriented grain.     

Microstructural evolution and martensitic transformation mechanisms during solidification processes of liquid metal Pb

The microstructural evolution and the martensitic transformation (bcc–hcp and bcc–fcc) mechanisms during the solidification process of liquid metal Pb were studied by molecular dynamics simulation. Results indicate that, with the decrease of temperature, the system undergoes two phase transitions: from the liquid state into a metastable bcc phase first and then from the bcc phase into a coexisting crystal structure of hcp and fcc phases. Moreover, the complicated martensitic transformation processes are clearly observed by cluster type index method (CTIM) and the tracing method. The two transformation mechanisms are very analogous at the atomic level; the essential difference between them is that, in the bcc–hcp transformation, two adjacent layers shift in opposite directions, whereas in the bcc–fcc transformation, the top layer and bottom layer shift in opposite directions relative to the middle layer. The specific mechanisms for the bcc–hcp and bcc–fcc transformations are confirmed to correspond to the revised Burgers mechanism and Bain mechanism, respectively.     

急冷条件下Cu-Pb偏晶合金的相分离研究

研究了Cu-Pb偏晶合金的急冷快速凝固和组织形成规律，并通过将金属熔体的热传导方程和Navier-Stokes方程相耦合, 理论分析了合金熔体的冷却速率、液固相变时间等物理参量与液相分离之间的相关性. 研究结果表明，在急冷快速凝固条件下，熔体的快速冷却对偏晶合金组织形成的影响要比熔体内部液相流动的影响更为显著. 快速凝固使液相分离受到抑制，Cu-Pb偏晶合金均可获得均匀的微观组织结构. 随着冷速的增大，晶粒尺寸明显减小，凝固组织显著细化，晶体形态由粗大枝晶向均匀细小的等轴晶过渡. 提高冷却速率，缩短液固相变时间是重力场中抑制液相分离、获得均匀偏晶组织结构的重要条件. 关键词： 偏晶合金 快速凝固 液相分离 微观结构     

快速凝固Ti-Cu-Fe合金的相组成与组织演变规律

采用落管无容器处理技术实现了Ti_61.2Cu_32.5Fe_6.3三元包共晶合金在自由落体条件下的快速凝固,获得了直径为80—1120μm液滴的凝固组织.实验中获得的过冷度范围为34—293 K,最大过冷度达0.23T_L.研究发现,在自由落体条件下,由于受到无容器、微重力、超高真空等因素的影响,合金熔体的凝固组织中包含Cu_0.8Fe_0.2Ti相、CuTi₂相和CuT₃相,显著偏离了平衡状态.Cu_0.8Fe_0.2Ti为初生相,同时又与CuTi₂相形成两相共晶;CuTi₃相则呈现枝晶形貌,并发生了明显的溶质截留效应.随着过冷度的增大,共晶组织由层片共晶向不规则共晶转变,形貌由长条状共晶团变为椭球状共晶团,最终变为球状共晶胞;Cu_0.8Fe_0.2Ti相枝晶形貌由粗大枝晶变为碎断枝晶,进一步变成不规则的粒状晶粒;CuTi₃相枝晶则由碎块状转变为完整枝晶.     

Microstructure of a composite with a quasicrystalline phase fraction obtained by directional solidification of Al61Cu27Fe12 alloy

The microstructure of a composite containing a quasicrystal phase, i.e. so-called crystal–quasicrystal (CQ) composite, was studied. The CQ composite was obtained by the Bridgman method via solidification of Al₆₁Cu₂₇Fe₁₂ alloy (numbers indicate at%). The process was conducted at a pull out rate of v = 0.07 mm/min. The average temperature gradient in the heating zone was 43 K/cm. The composite matrix consisted of cubic β phase Al(Fe, Cu), with reinforcement of λ-phase rod-shaped fibres surrounded by a quasicrystal icosahedral ψ phase, which also existed in the fibre core. The fibres were rhomboidal in cross-section. The composite was studied using X-ray and electron diffraction, light-optical and scanning electron microscopy (SEM), X-ray topography and Laue diffraction.