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鑄件凝固過程微觀組織模擬技術(shù)的研究
（作者未知） 2010/6/19
摘要 揭示了國(guó)內(nèi)外對(duì)微觀組織模擬研究的進(jìn)展，將確定性模型和隨機(jī)性模型相結(jié)合,建立晶粒形核和生長(zhǎng)的物理、數(shù)學(xué)模型。并通過計(jì)算機(jī)初步模擬出微觀組織形態(tài)，并能預(yù)測(cè)鑄件的力學(xué)性能。結(jié)果表明微觀模擬的發(fā)展前景廣闊，但有待于在理論和實(shí)踐中進(jìn)一步完善。
關(guān)鍵詞 微觀組織；凝固模擬；形核生長(zhǎng)模型；力學(xué)性能
在結(jié)晶過程中，鑄件凝固微觀組織對(duì)鑄件的力學(xué)性能有著重要的影響。計(jì)算機(jī)的發(fā)展使精確模擬微觀組織的形成成為可能。鑄件凝固過程的微觀組織模擬，是指在晶粒尺度上對(duì)鑄件凝固過程進(jìn)行模擬。鑄件凝固過程微觀組織的控制是鑄造工作者長(zhǎng)期致力研究的課題。過去的組織優(yōu)化研究是對(duì)在不同條件下制備的試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，以得到其組織形成的規(guī)律，這樣既浪費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，又有一定的盲目性。而鑄件凝固過程的微觀模擬可降低工作量，通過少量實(shí)驗(yàn)即可達(dá)到預(yù)測(cè)鑄件凝固組織和預(yù)測(cè)其力學(xué)性能，并可獲得主要的工藝參數(shù)與鑄件凝固組織的定量關(guān)系，為改善鑄件凝固組織提供可靠依據(jù)。
1 鑄件凝固過程微觀模擬的研究進(jìn)展
國(guó)外在微觀組織數(shù)值模擬方面的研究最早開始于1966年，Oldfield[1]首次提出了在鑄件凝固過程觀模擬的基礎(chǔ)上，將傳熱方程中的熱源項(xiàng)表示為形核率和生長(zhǎng)速率的函數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得鑄件凝固過程的微觀模擬愈來愈受到人們重視。人們已經(jīng)提出了很多方法來預(yù)測(cè)共晶合金和枝晶合金的形核和長(zhǎng)大過程。國(guó)內(nèi)研究起步較晚，沈陽(yáng)鑄造研究所、大連理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等單位都已對(duì)鑄件凝固微觀組織開展了數(shù)值模擬技術(shù)的研究，并取得了比較可喜的成果。
從理論上分析，最初的形核和長(zhǎng)大模型大都采用確定模型。如Hunt[2]的瞬時(shí)形核模型，Oldfield提出的連續(xù)形核模型等。夏威夷大學(xué)的Wang和愛荷華大學(xué)的Beckermann采用體積元平均技術(shù)，建立了Multiscale/Multiphase等軸枝晶生長(zhǎng)模型[3~9]，為建立晶粒生長(zhǎng)確定模型提供了嶄新的思路。80年代晶粒概率型模型逐漸興起，如英國(guó)Swansea大學(xué)的Brown和Spittle[10,11]，以及加拿大皇后大學(xué)的Zhu和Smith[12,13]等人采用了Monte- Carlo法。進(jìn)入90年代，瑞士聯(lián)邦洛桑理工學(xué)院Rappaz和Candia[14,15]綜合確定模型和概率模型提出了單元自動(dòng)控制(Cellular Automattion) (CA)模型。之后，Candin和Rappaz又結(jié)合宏觀有限元（FE）熱流計(jì)算和微觀單元自動(dòng)控制（CA）晶粒生長(zhǎng)模型，提出了FE-CA耦合算法模型[16]，開創(chuàng)了宏觀模擬與微觀模擬相結(jié)合計(jì)算的先河。其實(shí)微觀組織形成過程是一個(gè)比較復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，鑄件凝固過程既包括宏觀的傳熱、傳質(zhì)過程，也有微觀的晶粒形核、生長(zhǎng)過程。因此微觀組織模擬主要包括溫度場(chǎng)模擬、濃度場(chǎng)模擬和晶粒形核、生長(zhǎng)的微觀模擬。
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