基于相场模拟的倾斜共晶组织形貌演化研究

作     者：罗磊 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李向明;郭红星

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：倾斜共晶 相场模拟 各向异性 定向凝固 共晶形貌 

摘      要：共晶合金是工业上应用最为广泛的一类合金,其组织形态以两相或多相固态从液体中同时共生生长为特征。其共晶组织存在于许多重要的结构材料和功能材料当中,而倾斜共晶组织是非倾斜共晶组织在诸多因素影响下形成的与热流方向相反且与之成一定倾斜角的共晶组织。倾斜共晶组织的生长机理和共晶生长界面稳定性等重要问题为学者们当前研究的重要课题。本文将对倾斜共晶界面演化进行研究。由于相场法具有通过连续变化的相参数统一表示多相变化而避免了固液界面追踪的优点,因此本文应用相场模拟法研究倾斜共晶组织的形成机理。本文针对共晶组织生长系统,建立了相场模型,并应用有限差分方法对模型进行了求解。在等温条件和定向凝固条件下,分别考虑了倾斜共晶和非倾斜共晶界面形貌的演化规律。获得了固固界面各向异性、固液界面各向异性、抽拉速度和温度梯度等因素对共晶组织形貌的影响规律,从本质上揭示倾斜共晶组织生长机制。通过本论文研究,得到重要结论如下:（1）在各向同性和等温条件下,获得了过冷度对共晶组织的影响规律。随着过冷度的增大,共晶固液界面生长速度逐渐增大。当过冷度达到一定值,β相在α相固液界面前沿形核长大,导致α相组织发生分岔现象。过冷状态下生长的倾斜共晶的倾斜角逐渐减小。（2）在各向同性和定向凝固条件下,获得了抽拉速度、温度梯度和共晶组织层片间距对共晶组织影响规律。抽拉速度越大,共晶组织层片间距越小,该规律与Jackson-Hunt共晶理论规律一致;当抽拉速度较小时,非倾斜共晶组织通过α相与β相两相组织分岔现象和合并现象来调整共晶间距,而倾斜共晶组织仅通过α相组织分岔现象来调整共晶组织;增大抽拉速度,都是通过α相组织分岔来调整共晶间距。且随着抽拉速度增大,倾斜共晶组织倾斜角变小。当初始共晶间距较小时,共晶组织保持着稳定状态生长,当初始共晶间距较大时,共晶组织生长不稳定,α相组织发生分岔现象,且层片间距较小的共晶生长速度较快。（3）在各向异性条件和等温条件下,获得了固固界面各向异性、固液界面各向异性、共晶组织层片间距对共晶组织影响规律。当固固界面各向异性较小时,大初始共晶间距的共晶组织发生了α相分岔现象;各向异性的增大促使了共晶发生耦合生长,较大的固固界面各向异性促使共晶生长发生倾斜;当固固界面各向异性较强时,共晶组织发生了β相分岔现象。固液界面各向异性的增大具有稳定共晶组织固液界面的作用,共晶组织固液界面最演变为平直界面。（4）在各向异性条件和定向凝固条件下,获得了固固界面各向异性、固液界面各向异性、共晶组织层片间距和抽拉速度对共晶组织影响规律。共晶生长方向主要受到热流方向和固固界面各向异性方向耦合作用,当固固界面各向异性较小时,热流方向主导了共晶组织生长方向,共晶界面沿着热流相反方向生长,当固固界面各向异性增大到一定程度,将会有倾斜共晶组织的产生。固固界面各向异性影响着共晶组织层片间距和倾斜角,随着固固界面各向异性增大,共晶组织层片间距减小,倾斜角增大。固液界面各向异性的增大,使共晶组织生长趋于稳定,固液界面最终演变为平直界面。固液界面各向异性影响着共晶组织层片间距,随着固液界面各向异性增大,共晶组织层片间距增大,但固液界面各向异性并不影响共晶组织倾斜角。在共晶组织生长中,主要发生了两种不稳定现象,第一种不稳定现象为分岔或合并现象,对共晶组织进行间距调整,第二种不稳定现象为错配现象,主要受到大抽拉速度和强固固界面各向异性的影响。