非平衡凝固過程具有多晶和多相復雜相互作用,該相互作用形成的微觀組織對材料性能具有顯著影響,在現(xiàn)有實驗條件下很難實時追蹤多晶和多相相互作用下的微觀組織形貌演化。相場方法作為模擬介觀尺度下微觀形貌演化的有效工具,能夠研究非平衡凝固的復雜相互作用過程,因此本文建立適用于多晶和多相作用下的相場模型,并編寫相應的程序來實現(xiàn)對凝固過程的動力學模擬。傳統(tǒng)上采用漸進分析方法分析相場動力學方程,本文提出算子分析方法來推導并解析該方程的性質(zhì),此方法得到了與漸進分析方法相同的結(jié)論,但是大幅簡化了方程分析和推導過程,建立了彌散界面與傳統(tǒng)明銳界面之間的等效關(guān)系,并且得到了相場方程相關(guān)物理參數(shù)的推算方法,進一步在介觀尺度揭示了凝固過程的理論機制�；贙im-Kim-Suzuki(KKS)、多晶相場和多相場三種模型,構(gòu)造了適用于凝固過程的多晶和多相相場模型。針對KKS模型中牛頓迭代算法的低效率問題,本文提出了拋物線近似算法來計算模擬所需的相組分濃度和驅(qū)動力,從而大幅提高計算效率。并設計了具有多場耦合功能的凝固模擬程序包,基于MPI并行的顯式有限差分算法實現(xiàn),采用模塊化設計,實現(xiàn)了復雜凝固系統(tǒng)的微觀組織演化模擬。以Fe...

【文章頁數(shù)】：147 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖２－１傳統(tǒng)明銳界面模型與相場彌散界面模型的對比：（ａ）明銳界面；（ｂ）彌散界面??

?北京科技大學博士學位論文???／／為雙阱函數(shù)的勢壘能；??為雙阱函數(shù)的導數(shù)；??Ｍ；（ｒ）為基于當?shù)販囟鹊南嘧凃?qū)動力；??，以）為插值函數(shù)的導數(shù)；??？（的為序參量４的插值函數(shù)表達的物理參數(shù)，在固相區(qū)域４?＝?１時，??有《（０＝｜，在液相區(qū)域０?＝?〇時，有《（＜０?＝?＃；....

圖２－２凝固過程在不同尺度的情況：（ａ）為工業(yè)電渣重熔爐，其內(nèi)不斷地發(fā)生從熔池??底部向上推進的凝固過程；〇））為其熔池區(qū)域的模擬，反映了溫度場分布和固液界面的??位置；（〇圖為熔池中固液界面處一個顯微組織尺度的模擬；（ｄ）圖乃是對（ｃ）圖的枝晶組??織某個二次枝晶臂的示意圖；（ｅ）圖進一步放大了該枝晶臂尖端的固液界面；（ｆ）圖是固??液界面法線方向的相場序參置分布，該序參置分布從固相到液相呈現(xiàn)彌散過渡；（ｇ）圖??顯示了相場彌散界面處的序參量等值線，是對（ｅ）圖界面?

?北京科技大學博士學位論文???向的變化情況也可理解為圖（ｆ）所示的序參量分布情況。??（ａ）?Ｔ?（ｃ）?—?一?—｜??（ｂ）??Ａ?Ｂ??圖２－２凝固過程在不同尺度的情況：（ａ）為工業(yè)電渣重熔爐，其內(nèi)不斷地發(fā)生從熔池??底部向上推進的凝固過程；〇））為其熔池區(qū)域的模擬，反映....

圖２－３相場晶體模型模擬原子尺度的多晶粒凝固過程??通過重整化群理論及穩(wěn)態(tài)解的分析，可以給出相場晶體模型的平衡態(tài)性??

型中出現(xiàn)的物理參數(shù)。??相場晶體模型的最初描述基于以周期函數(shù)為穩(wěn)態(tài)解的Ｓｗｉｆｔ－Ｈｏｈｅｎｂｅｒｇ??方程［９２］，隨著進一步的發(fā)展，Ｅｌｄｅｒ等人將其建立在經(jīng)典密度泛函的基石之上??［１４，９３１。在原子尺度，該模型可用場的波動觀點模擬原子空穴遷移，位錯攀移，??晶界演化，彈....

圖３－１相場模型彌散界面的序參量分布圖示??

相場動力學方程在彌散界面附近的解析是研究該方程性質(zhì)的關(guān)鍵，所有??的分析都將以１Ｄ平衡情況下的相場動力學方程為基礎，而后探討由平衡到??動態(tài)，由平界面到一般曲界面的動力學性質(zhì)。因而本文所有的分析方法在進??行廣義化地論述之前都以１Ｄ情況作為簡單例子引入，而后循序漸進討論一??般曲....

本文編號：4052090