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相场法模拟第二相颗粒沿晶析出及其钉扎作用

稀有金属材料与工程 2012年第10期41卷 1751-1755页

作者：黄勇兵王永欣陈铮西北工业大学凝固技术国家重点实验室陕西西安710072

基于相场法,以第二相颗粒平衡体积分数不同的合金为对象,研究第二相颗粒的沿晶析出、长大及其对基体相晶界的钉扎作用。结果表明,第二相颗粒的平衡体积分数越大,其形核孕育期越短,形核与粗化的速度也越快;然而在第二相颗粒的长大阶段,... 详细信息

基于相场法,以第二相颗粒平衡体积分数不同的合金为对象,研究第二相颗粒的沿晶析出、长大及其对基体相晶界的钉扎作用。结果表明,第二相颗粒的平衡体积分数越大,其形核孕育期越短,形核与粗化的速度也越快;然而在第二相颗粒的长大阶段,平衡体积分数较大(15%～25%)时第二相颗粒长大速度较慢,而平衡体积分数较小(10%)时则长大速度较快。随着第二相颗粒平衡体积分数的增大,其对晶界的钉扎作用也逐渐增强,但平衡体积分数增大到一定程度,钉扎作用将趋于稳定。第二相颗粒对晶粒极限尺寸的影响遵循Zener关系。

关键词：相场法第二相颗粒析出晶粒长大

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相场法模拟对流速度对上游枝晶生长的影响

物理学报 2008年第7期57卷 4585-4589页

作者：陈玉娟陈长乐西北工业大学凝聚态结构与性质陕西省重点实验室西安710072

基于Tong和Beckermann等提出的耦合流场的相场模型,采用有限差分法对纯金属凝固过程进行二维模拟计算,研究了不同对流速度对金属枝晶生长的影响.结果表明:在有对流情况下,上游及下游枝晶呈现不对称形貌,上游枝晶生长速度明显比下游方向... 详细信息

基于Tong和Beckermann等提出的耦合流场的相场模型,采用有限差分法对纯金属凝固过程进行二维模拟计算,研究了不同对流速度对金属枝晶生长的影响.结果表明:在有对流情况下,上游及下游枝晶呈现不对称形貌,上游枝晶生长速度明显比下游方向生长速度快.随着对流速度的增大,上游尖端过冷度也增大,枝晶生长也越快.这是由于流体速度越大,对上游枝晶冲刷越强,上游枝晶尖端实际过冷度越大,枝晶生长越迅速.

关键词：相场法对流速度上游枝晶

NiTi形状记忆合金中共格Ni_4Ti_3沉淀相生长动力学行为的相场法模拟

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金属学报 2010年第1期46卷 84-90页

作者：柯常波马骁张新平华南理工大学材料科学与工程学院广州510640

采用基于扩散场理论的宏观相场模型对NiTi形状记忆合金中具有菱方结构的共格Ni_4Ti_3相的析出及长大过程进行了模拟研究;沉淀相的形貌演化通过求解非守恒参量场Ginzburg-Landau控制方程和守恒浓度场Cahn-Hilliard扩散方程获得。与二维... 详细信息

采用基于扩散场理论的宏观相场模型对NiTi形状记忆合金中具有菱方结构的共格Ni_4Ti_3相的析出及长大过程进行了模拟研究;沉淀相的形貌演化通过求解非守恒参量场Ginzburg-Landau控制方程和守恒浓度场Cahn-Hilliard扩散方程获得。与二维模型相比,本研究采用了准确的晶体学参数及改进的数学模型,获得了更为直观及合理的三维盘状变体及二维透镜状变体;Ni_4Ti_3沉淀相的长度、宽度和面积分数随时间的变化分别遵循指数、线性和对数关系;且其长度与宽度的比值并非恒定值,在生长初期该比值有较大的增速而随后逐渐减慢,能很好地解释沉淀相盘状及透镜状形貌特征形成的原因并与相关实验结果吻合。

关键词： NiTi形状记忆合金共格沉淀相生长动力学相场法形貌演化

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静电场对冷冻食品冰晶生长影响的相场法模拟

食品与机械 2022年第2期38卷 143-147页

作者：甄仌苏格毅张雪孙惠蕾哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院黑龙江哈尔滨150028

目的:探究外加静电场对食品冷冻过程中冰晶生长的影响规律。方法:基于相场法中经典的Kobayashi模型,将电场自由能密度引入相场模型,采用有限差分法五点差分格式离散偏微分方程,编程实现了冰晶生长的模拟及可视化。结果:模拟结果和其他... 详细信息

目的:探究外加静电场对食品冷冻过程中冰晶生长的影响规律。方法:基于相场法中经典的Kobayashi模型,将电场自由能密度引入相场模型,采用有限差分法五点差分格式离散偏微分方程,编程实现了冰晶生长的模拟及可视化。结果:模拟结果和其他模拟结果以及试验结果呈现的冰晶组织特征一致,冰晶形态具有典型的六重对称性;随着电场强度的增加,冰晶的主枝生长速率和成核生长都受到了抑制。结论:在食物的速冻保鲜过程中,外加一定的电场强度,会减少大冰晶的生成,最大限度地保留食品的品质和风味。

关键词：冷冻静电场相场法冰晶生长食品品质

相场法模拟强迫层流对流动法向枝晶的影响(英文)

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2011年第3期21卷 612-617页

作者：王智平王军伟朱昌盛冯力肖荣振兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建重点实验室兰州730050 甘肃省有色金属及复合材料工程研究中心兰州730050 兰州理工大学CAD中心兰州730050

采用耦和流场的相场模型,考虑热扰动影响因素,模拟非等温条件下低雷诺数过冷熔体强迫层流对流动法向枝晶生长的影响。以高纯丁二腈(SCN)过冷熔体枝晶生长为例,分析熔体有流动和无流动时二次枝晶形貌差异的原因;研究过冷熔体层流速度、... 详细信息

采用耦和流场的相场模型,考虑热扰动影响因素,模拟非等温条件下低雷诺数过冷熔体强迫层流对流动法向枝晶生长的影响。以高纯丁二腈(SCN)过冷熔体枝晶生长为例,分析熔体有流动和无流动时二次枝晶形貌差异的原因;研究过冷熔体层流速度、流动法向一次枝晶臂偏转角度和枝晶尖端生长速度之间的关系;推导枝晶尖端前沿熔体流动速度值与枝晶生长时间的理论表达式;定量对比其理论值与模拟值,结果吻合较好。

关键词：相场法层流枝晶生长计算机模拟凝固流动速度

钇稳定氧化锆断裂行为和铁弹增韧效应的相场法研究

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钇稳定氧化锆断裂行为和铁弹增韧效应的相场法研究

作者：方舟华中科技大学

学位级别：硕士

陶瓷涂层材料的断裂韧性是影响热障涂层可靠性的重要因素,钇稳定氧化锆(t′-YSZ)是目前应用最广泛的热障涂层陶瓷层材料,而其优良的断裂韧性与铁弹增韧机制密切相关。为了充分揭示和利用t′-YSZ的铁弹增韧机制,本文开发了相应的相场模型... 详细信息

陶瓷涂层材料的断裂韧性是影响热障涂层可靠性的重要因素,钇稳定氧化锆(t′-YSZ)是目前应用最广泛的热障涂层陶瓷层材料,而其优良的断裂韧性与铁弹增韧机制密切相关。为了充分揭示和利用t′-YSZ的铁弹增韧机制,本文开发了相应的相场模型,借助相场模拟,研究了晶体取向、初始畴结构、反相畴界等微结构因素对单晶及多晶t′-YSZ断裂行为和铁弹增韧效应的影响。本文的主要内容和结论如下:(1)建立了t′-YSZ中铁弹畴翻转与裂纹扩展耦合的相场模型,并采用该相场模型进行了一些验证性的工作。研究了单畴t′-YSZ在单轴拉伸下的铁弹畴翻转及力学响应,并根据应力-应变曲线对相场模型进行了修正,确定了模型的能量壁垒。构造了可表征反相畴界的铁弹畴翻转相场模型。提出了基于能量耗散率的断裂韧性评估方法,并对该数值方法进行了验证,讨论了单元尺寸对模拟结果的影响。(2)采用畴翻转与裂纹扩展耦合的相场模型,研究了初始畴结构、晶体取向及反相畴界等微结构因素对单晶t′-YSZ中断裂行为和铁弹增韧效应的影响。研究发现,无畴翻转时初始畴结构的预应力分布对断裂韧性影响较小。铁弹畴翻转在不同晶向中对断裂行为的影响存在一定差异:0°晶向中断裂韧性明显增强;30°晶向中略微降低;而45°晶向则变化不大。反向畴界会通过阻碍铁弹畴翻转,影响材料的铁弹增韧效应。(3)构造了多晶单畴和多晶多畴t′-YSZ中的裂纹扩展及铁弹畴翻转相场模型,并利用该模型研究了铁弹畴翻转对多晶t′-YSZ中裂纹扩展路径及能量耗散率的影响。研究结果表明,铁弹畴翻转会使多晶t′-YSZ中的裂纹发生偏转,偏转情况与各晶粒的取向密切相关。通过计算裂纹扩展的能量耗散率发现,多晶单畴t′-YSZ中畴翻转引发明显的增韧效应,而多晶多畴t′-YSZ中,畴翻转可导致断裂韧性下降。数值分析结果表明,多畴t′-YSZ中的减韧现象可能与内应力场及边界条件的变化有关。

关键词：相场法铁弹畴翻转断裂行为铁弹增韧反相畴界

基于微观相场法的Ni75AlXCr25-X高温合金L12相间界面性能的研究

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基于微观相场法的Ni75AlXCr25-X高温合金L12相间界面性能的研究

作者：胡海磊浙江师范大学

学位级别：硕士

为满足航空发动机高推重比的需求,对于航空航天发动机中涡轮叶片的高温力学性能要求也愈发苛刻。镍基高温合金由于其优异的热阻特性,高温下的高强性,良好的耐腐蚀性等在近现代航空航天发动机的热端部件中得到了广泛的应用。镍基高温合... 详细信息

为满足航空发动机高推重比的需求,对于航空航天发动机中涡轮叶片的高温力学性能要求也愈发苛刻。镍基高温合金由于其优异的热阻特性,高温下的高强性,良好的耐腐蚀性等在近现代航空航天发动机的热端部件中得到了广泛的应用。镍基高温合金的微观结构中的晶界影响着镍基高温合金的性质,现阶段想要对界面性能进行直接的研究仍有一定的挑战,许多学者通过实验研究镍基高温合金界面,显然这样无法对镍基高温合金界面进行动态、连续的研究。因此,通过仿真来研究界面是一种有效的、动态的研究方式。微观相场法是一种结合了热力学与动力学的多场耦合的仿真方法,具有动态演化的过程、计算量少、结果精确等优点。由此,本文通过微观相场法对NiAlCr镍基高温合金微观结构进行仿真研究,同时对NiAlCr镍基高温合金的宏观性质进行测试,研究微观结构对于其性质的影响。具体研究内容如下:(1)通过微观相场法绘制NiAlCr高温合金微观结构形貌图及L1(γ’-NiAl)相间有序界面上的原子占位几率分布图和界面两侧的原子占位几率演化图来研究L1相间的三种不同的有序界面(200)//(200)·?[001],(200)//(200)及(100)//(200)·?[001]。模拟结果表明,前两种界面随沉淀演化过程是可以迁移的,而有序界面(100)//(200)·?[001]则不会发生迁移;界面迁移是通过Ni/Al原子间在有序界面处进行跃迁交换而形成的,迁移前后的有序界面中的原子占位几率几乎不变,即各原子的偏聚、贫化情况几乎不变。实验结果表明,随着热处理时间的进行,L1相结构会逐渐长大,与微观相场法的仿真结果一致;此外,通过对比相场法计算所得的NiAl的体积分数与XRD(X-ray diffraction)实验所得的数据几乎相等,由此说明利用微观相场法指导合金的优化设计的可行性。(2)基于微观相场法研究了温度、长程序参数、溶质原子浓度对原子间近邻作用势的影响,进而研究不同的原子间近邻作用势对NiAlCr高温合金凝固过程的影响,并研究了温度、畸变能对L1相的三种不同的有序界面的影响。结果表明,原子间近邻作用势随着温度的升高/降低而线性增加/降低;原子间近邻作用势随着溶质原子浓度及长程序参数的增大呈上升趋势;改变原子间近邻作用势对L1和D0(γ’’-NiCr)相的微观结构和体积分数的影响也不尽相同:改变W的第二近邻作用势的并未对微观结构和体积分数造成影响,但改变W第四近邻作用势的对微观结构和体积分数的影响是所有近邻作用势中最大。温度和畸变能对于三种界面的影响各不相同,温度的增加使(200)//(200)界面中的三种原子的偏聚/贫化程度降低,但会使(100)//(200)·?[001]界面中的三种原子的偏聚/贫化程度增加;畸变能的变化对于(200)//(200)界面中原子的偏聚、贫化情况几乎无影响,但对其他两种界面的影响不一。(3)对不同原子浓度的NiAlCr高温合金在热处理前后的摩擦磨损、硬度、耐腐蚀性进行研究。结果表明:溶质原子的浓度及热处理都会影响NiAlCr高温合金的性质,但是影响不一。Cr的加入对于NiAlCr高温合金的耐腐蚀性有着极大的提升,而Cr原子的过度加入反而会使NiAlCr高温合金的硬度降低。热处理过的NiAlCr高温合金的耐腐蚀性会有所上升,但是由于晶粒的增大及晶界密度的减少,摩擦磨损性能及硬度都会有所下降。而微观相场法可以动态、连续的研究晶粒大小及晶界密度的变化,通过微观相场法指导实验选择不同热处理方式和时长可以有效的控制晶粒大小和晶界密度,制造出性能优越的高温合金,因此通过微观相场法对于实际制造NiAlCr高温合金具有理论指导意义。

关键词： Ni75AlxCr25-x高温合金相场法界面微观结构宏观性能

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相场法模拟AZ31镁合金再结晶晶粒长大

中国有色金属学报 2009年第9期19卷 1555-1562页

作者：王明涛宗亚平王刚东北大学材料与冶金学院材料各向异性与织构教育部重点实验室沈阳110004

建立一个相场模型,并对AZ31镁合金进行再结晶晶粒长大模拟,提出一系列法则以确定模型中参数的真实值,从而实现组织演化在工业应用范围内的-真实时空模拟。在300～400℃100min内时,模拟结果与实验结果吻合得很好,在250℃时,模拟结果与实... 详细信息

建立一个相场模型,并对AZ31镁合金进行再结晶晶粒长大模拟,提出一系列法则以确定模型中参数的真实值,从而实现组织演化在工业应用范围内的-真实时空模拟。在300～400℃100min内时,模拟结果与实验结果吻合得很好,在250℃时,模拟结果与实验结果有较大偏离,说明该合金体系的界面迁移激活能在低温时有所改变,定量模拟研究该合金组织的混晶程度。结果表明:合金在300～400℃时,随时效时间的延长,混晶特别严重。模型模拟相场法界面控制过程组织演变的真实时空,所确定的参数值也可以用于其他相似合金系统的模拟。

关键词： AZ31镁合金相场法再结晶晶粒长大计算机模拟

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形状记忆合金疲劳断裂行为的相场法研究

形状记忆合金疲劳断裂行为的相场法研究

作者：曾若愚华中科技大学

学位级别：硕士

形状记忆合金(SMA)是一种可发生相变的材料,它在工程领域有着广泛的应用。然而,在工程应用中常常会涉及到疲劳的问题。SMA在受到外荷载时会产生相变,进而引发位错滑移,即塑性应变。塑性应变在循环加载过程中逐渐累积,当累积到一定程度时... 详细信息

形状记忆合金(SMA)是一种可发生相变的材料,它在工程领域有着广泛的应用。然而,在工程应用中常常会涉及到疲劳的问题。SMA在受到外荷载时会产生相变,进而引发位错滑移,即塑性应变。塑性应变在循环加载过程中逐渐累积,当累积到一定程度时,就会形成微裂纹。随着循环次数增加,裂纹逐渐扩展,最终结构断裂。因此,需要通过数值模拟来研究SMA的疲劳行为,以对其疲劳寿命进行预测。本论文建立了二维的相场模型,较为完整地研究了SMA在循环载荷作用下的疲劳响应,包括热-力循环变形行为、马氏体相变的演化以及疲劳裂纹扩展规律。本论文的主要内容及相关结论如下:1、建立了相变与塑性耦合的相场模型,模拟了含有初始裂纹的单晶/多晶SMA构件在循环载荷作用下的应力-应变响应以及微观结构的演化,发现随着循环次数的增多,相变临界应力逐渐降低,残余的马氏体逐渐增加。SMA的力-位移迟滞曲线逐渐向右移动,迟滞环的面积逐渐减小,与实验中观察到的棘轮效应相似。研究了相变对裂纹尖端应力场的影响,发现相变具有降低裂纹尖端应力的效果。2、采用相变与塑性耦合的相场模型,通过循环改变温度,研究了多晶SMA在温度循环变形过程中裂纹端部的相变行为。讨论了不同恒定外力载荷作用下材料温度循环变形过程中的温度-应变曲线。探讨了循环过程中马氏体分布、塑性应变、以及裂纹端部的应变能密度的变化趋势。结果表明,随着循环次数增多,裂纹端部的应变能密度逐渐增大,疲劳裂纹扩展的驱动力增大。3、提出了相变与疲劳裂纹扩展耦合的相场模型,并用该模型模拟了单晶SMA疲劳裂纹扩展的过程。发现SMA在疲劳裂纹扩展的过程中,裂纹前方发生相变,裂纹后方发生逆向变。探讨了加载方式以及晶向角对疲劳裂纹扩展的影响,研究了裂纹扩展速率、能量耗散率以及马氏体体积分数随裂纹长度的变化趋势,得到了SMA疲劳的N-a曲线以及da/d N-(35)K曲线。通过比较有相变和无相变的裂纹扩展速率,发现有相变的裂纹扩展速度较慢,阐明了相变具有增韧作用。

关键词：相场法形状记忆合金循环加载相变增韧疲劳