相场法对比模拟二元合金等温-非等温凝固过程

Trans. Nonferrous Met. Soc. China 24(2014) 3639?

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Comparative analysis of isothermal and non-isothermal solidification of

binary alloys using phase-field model

Rong-zhen XIAO, Guo-sheng AN, Chang-sheng ZHU, Zhi-ping WANG, Shi-yin YANG

State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials, Lanzhou University of Technology,

Lanzhou 730050, China

Received 18 December 2013; accepted 1 April 2014

Abstract: Based on the entropy function, a two-dimensional phase field model of binary alloys was established. Meanwhile, an explicit difference method with uniform grid was adopted to solve the phase field and solute field controlled equations. And the alternating direction implicit (ADI) algorithm for solving temperature field controlled equation was also employed to avoid the restriction of time step. Some characteristics of the Ni ?Cu alloy were captured in the process of non-isothermal solidification, and the comparative analysis of the isothermal and the non-isothermal solidification was investigated. The simulation results indicate that the non-isothermal model is favorable to simulate the real solidification process of binary alloys, and when the thermal diffusivity decreases, the non-isothermal phase-field model is gradually consistent with the isothermal phase-field model.

Key words: phase-field model; binary alloys; isothermal solidification; non-isothermal solidification

1 Introduction

Microstructures are formed at moving liquid ?solid interface, and the equiaxed dendritic solidification is a frequently observed mode in the process of solidification. In addition to some experimental methods, a large number of numerical methods are involved in solidification and materials processing [1?4]. As one of the numerical simulation methods to elucidate the complex microstructure evolution, the phase-field method has been widely accepted by researchers [5?8]. The phase-field model (PFM) is known to be powerful in describing the complex formation in the process of solidification, because all the controlling equations are given as unified forms in the whole space of system. And the phase-field method does not have to strictly distinguish the solid and liquid, thus it avoids the difficulty of tracking the complex liquid ?solid interface [9?11]. In the solidification process of binary alloys, the solidification rate is limited by both heat and solute diffusion, and the heat and solute diffusion fields are coupled at the solid ?liquid interface by the relations with flux balances. The first PFM for alloy isothermal solidification based on the free energy function was

proposed by WHEELER et al [9], and it was widely called WBM I mode. In this model, the term of 2()φ? is embodied in the governing equations, but the situations of solute trapping are not exhibited because of neglecting the term of 2()c ?, then such situations are frequently observed experimentally. Thereby, WHEELER et al [12] advanced a new PFM(WBM II), which incorporated both the 2()φ? and 2()c ? terms. But it is intriguing that some researchers confirmed that the term of 2()c ? is not necessary to predict solute trapping [13,14]. Another PFM for binary alloys was proposed by KIM et al [15,16], and was named KKS model. Then the KKS model is equivalent with the WBM model, but has a different definition of the free energy density for the interfacial region. For non-isothermal solidification, the effect of temperature distribution is considered in the PFM due to release of latent heat at the liquid ?solid interface. CONTI [17] discussed the thermal effects on solidification of binary

alloys, and LOGINOV A et al [18] simulated the dendritic morphology and temperature distribution of Ni ?Cu binary alloy using phase-field method [18]. Recently, OHNO [19] expended the PFM to ternary alloys of non-isothermal solidification, and the convergence of

Foundation item: Projects (51161011, 11364024) supported by the National Natural Science Foundation of China

Corresponding author: Rong-zhen XIAO; Tel: +86-139********; E-mail: xiaorongzhen@https://www.wendangku.net/doc/e63246701.html,

DOI: 10.1016/S1003-6326(14)63509-3

钎焊复习知识点总结

钎焊的概念：借助于液态钎料填满固态母材之间的间隙并相互扩散形成结合的一类连接材料方法。根据钎料熔点温度不同，熔点低于450为软钎焊，大于450为硬钎焊，大于900为高温钎焊。软钎焊和硬钎焊的区别：软钎焊的所用钎料的熔点低于450，接头强度低于70兆帕，硬钎焊所用钎料的熔点高于450，接头强度可达500兆帕。 影响钎料润湿性的因素：（1）钎料与母材的成份，钎料与母材在液态和固态均不相互作用，则他们之间的润湿性很差，若钎料能与母材相互溶解并形成化合物，则液态钎料能较好的润湿母材。（2）温度，温度升高，钎料表面张力降低，有助于提高钎料的润湿性。温度过高钎料的润湿性太强，往往容易造成钎料的流失，温度过高坏会引起母材晶粒长大，溶蚀等现象。 (3)金属表面氧化物（4）钎剂可清除氧化膜改善润湿性（5）母材表面的状态粗糙度（6）表面活性物质的影响。 1.钎料应具有合适的熔点； 2.钎料应具有良好的润湿性，能充分填满钎锋的间隙； 3.钎料与母材的扩散作用，应保证他们之间形成牢固的结合； 4.钎料应具有稳定和均匀的成分，应尽量减少钎焊过程中的偏析现象和易挥发元素的消耗等；5所得到的接头应能满足产品的技术要求。 软钎料代号s硬钎料代号b 自钎剂钎料：指机能填充钎缝间隙，又能起钎剂作用的钎料。 作用：填缝，去氧化膜。 要求：1.强还原剂2.还原产物熔点低于钎焊温度3.还原产物粘度低4.还原剂能溶于钎料内5.还原剂最好能降低液态钎料的表面张力，改善钎料的润湿性。 3.1. 钎焊时去膜的必要性母材表面氧化膜的存在，液态钎料不能润湿它们，同样液态钎料被氧化膜包裹时，也不能在母材上铺展（ cu ni fe等的氧化膜易去除 al mg ti cr 等的氧化膜难去除） 3.2钎剂的作用及性能要求清除母材和钎料表面氧化膜利于铺展填缝隔绝空气起保护作用起界面活化作用改善钎料对母材的润湿性能要求（1）钎剂应具有溶解或破坏母材和钎料表面氧化膜的足够能力（2）钎剂的熔点和最低活性

铸件充型凝固过程数值模拟

铸件充型凝固过程数值模拟 1 概述 欲获得健全的铸件，必先确定一套合理的工艺参数。数值模拟或称数值试验的目的，就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。 铸件充型凝固过程数值计算以铸件和铸型为计算域，包括熔融金属流动和传热数值计算，主要用于液态金属充填铸型过程；铸件铸型传热过程数值计算，主要用于铸件凝固过程；应力应变数值计算，用于铸件凝固和冷却过程；晶体形核和生长数值计算，主要用于金属铸件显微组织形成过程和铸件机械性能预测；传热传质传动量数值计算，主要用于大型铸件或凝固时间较长的铸件的凝固过程。数值计算可预测的缺陷主要是铸件形成过程中易发生的冷隔、卷气、缩孔、缩松、裂纹、偏析、晶粒粗大等等，另外可以通过数值计算，提出合理的铸造工艺参数，包括浇注温度、铸型温度、铸件凝固时间、打箱时间、冷却条件等等。目前，用于液态金属充填铸型过程的熔融金属流动和传热数值计算以及用于铸件凝 固过程的铸件铸型传热过程数值计算已经比较成熟，逐渐为铸造厂家在实际生产中采用，下面主要介绍这两种数值试验

方法。 1.1 数学模型 熔融金属充型与凝固过程为高温流体于复杂几何型腔内作有阻碍和带有自由表面的流动及向铸型和空气的传热过程。该物理过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，假设液态金属为常密度不可压缩的粘性流体，并忽略湍流作用，则可以采用连续、动量、体积函数和能量方程组描述这一过程。 质量守恒方程 ? u/? x+? v/? y+? w/? z= 0 (2-1) 动量守恒方程 ?（ρ u）/? t+u?（ρ u）/? x+v?（ρ u）/? y+w?（ρ u） /?z = -? p/? x+μ(?2u/? x2+?2v/?y2+? 2w/? z2)+ρ g x (2-2a) ?（ρ v）/? t+u?（ρ v）/? x+v?（ρ v）/? y+w?（ρ v） /?z = -? p/?y+μ (?2u/?x2+?2v/?y2+? 2w/? z2)+ρ

第三章 二元合金的相结构与结晶 - 答案

第三章 二元合金的相结构与结晶 (一)填空题 1 合金的定义是两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成具有金属特性的物质。 2．合金中的组元是指 组成合金最基本的、独立的物质 。 3．固溶体的定义是 在固态条件下，一种组元“组分”溶解了其它组元而形成的单相晶态固体 4．Cr 、V 在γ-Fe 中将形成 置换 固溶体。C 、N 则形成 间隙 固溶体。 5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要 差 些。 6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的高熔点组元。 7．共晶反应的特征是 由一定成分的恶液相同时结晶出成分一定的两个固相 ，其反应式为 L →a+β 8．匀晶反应的特征是 ，其反应式为 9．共析反应的特征是 ，其反应式为 10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为置换固溶体和间隙固溶体，按原子溶入量可以分为 有限固溶体 和 无限固溶体 11．合金的相结构有 固溶体 和 金属化合物 两种，前者具有较高的 塑性变形 性能，适合于做 基体 相；后者有较高的 高硬度 性能，适合于做 增强 相 12．看图4—1，请写出反应式和相区： ABC 包晶反应 B A C L γα?+ ；DEF 共晶反应 F D C L βγ+? ；GHI 共析反应 I G H βαγ+? ； ① L +α ；② γα+ ；③βα+ ；④ βγ+ ；⑤ L +γ ；⑥ β+L ； 13．相的定义是 ，组织的定义是 14．间隙固溶体的晶体结构与溶剂的晶格类型 相同，而间隙相的晶体结构与 溶剂组元晶体结构 不同。 15．根据图4—2填出： 水平线反应式 E C D βαγ+? ；有限固溶体 βα、 、 无限固溶体 γ 。 液相线 ，固相线 ， 固溶线 CF 、 EG

DSC非等温结晶数据处理

DSC非等温结晶数据处理 1 确定结晶的起始温度，DSC软件可以给出，如果没有需要自己来确定，会存在一定误差； 2 确定结晶时间：t=(T0-T)/v，T0-结晶开始温度；T-t时刻的结晶温度；v-降温速率 3 基线调整； 一般所得的DSC曲线的基线不在X轴上，需要对基线进行调整，使其在X轴上。Diamond公司直接可以在仪器上进行调整，对于不能在仪器上进行调整的，可以在Origin上进行调整，下面以Origin8软件为例，简介如下： 3.1 原数据如图所示： 在Graph操作界面，对图像进行处理：Analysis-Spectroscopy-create baseline，出现如下操作界面：

Method 选用 Auto-created a modifiable， Baseline选用 Entire Data with smooth， Number 选项一般为10-15，具体情况还要视具体情况而定， Recacluate 选用Auto。在选择10个点之后界面变作如下： 调整红圈点，使其与基线尽可能完全重合，调整后如下

点击Apply后，如下 Analysis-Data Manipulation-Subtract Reference Data，出现对话框如下：

点击Reference Data右边的三角，在下拉菜单中，选择Plot(2):Baseline1后出现如下对话框： 点击OK 出现如下图面

调整Y轴坐标， 基线已经基本和X轴重合，这样就把基线调整完毕。需要说明的是，调整后，原始数据发生变化，此时，如果不调整Y轴，重新画图还是可以的。 4 根据前面确定的结晶起始温度，截取图像，就是截取起始温度点的数据重新画图。

瞬间液相扩散连接过程数值模拟的研究进展

第17卷第6期2003年12月　华　东　船　舶　工　业　学　院　学　报(自然科学版) Journal of East China Shipbuilding Institute(Natural Science Edition) 　 Vo1117No16 Dec.2003 文章编号:1006-1088(2003)06-0042-06 瞬间液相扩散连接过程数值模拟的研究进展 初雅杰,翟建广,邹家生,陈　铮 (华东船舶工业学院材料与环境工程系,江苏镇江212003) 摘　要:综述了近年来国内外关于瞬间液相扩散连接数值模拟的研究现状,内容涉及了异种材料接头 元素的扩散与反应层形成的模拟,接头变形与应力行为的模拟,并提出了要解决的问题,为今后的研究 提供了一定的借鉴。 关键词:瞬间液相连接;数值模拟;元素扩散;残余应力 中图分类号:TG453 文献标识码:A Progress of the R esearch in the Area of Numerical Simulation of T ransient Liquid Phase Diff usion Bonding CHU Y a2jie,ZHA I Jian2guang,ZO U Jia2sheng,CH EN Zheng (Dept.of Material and Environment Eng.,East China Shipbuilding Institute,Zhenjiang Jiangsu212003,China) Abstract:Reviews the present progress in numerical simulation of transient liquid phase diffusion bonding in recent years.The simulation of element diffusion and formation of reaction layers are discussed in detail. At the same time the simulation of residual stress of the bonding is involved.The problems to be solved are pointed out.It could be useful for the future research. K ey w ords:transient liquid phase bonding;numerical simulation;element diffusion;residual stress 0　引　言 近年来,随着高温合金、陶瓷、复合材料等新材料的迅速发展,这些新材料的连接技术也越来越引起人们的关注。虽然活性钎焊和固相扩散连接以各自的优点成为近年来新材料连接领域的研究热点,但这两种连接方法均有一定的局限性。Peaslee和Boam于1952年首次提出了瞬间液相扩散连接(Tran2 sient Liquid Phase Diffusion Bonding,简称TL P扩散连接)方法[1]。1974年,Duvall成功地进行了Ni基耐热合金的TL P扩散连接,随后TL P扩散连接方法在航空航天等领域得到了广泛的应用。但是由于TL P扩散连接涉及材料、扩散、相变、界面反应、接头应力应变等方面,工艺参数多,虽然已进行了大量的实验研究,但对各种材料的连接机理认识尚不深入[2～4]。一般认为,瞬间液相扩散连接过程的完成受中间层成分、厚度以及保温温度等因素的控制,元素的扩散起主要的作用,由于元素扩散是一个极缓慢的过程,实际构件中接合面间隙又并非一致,因此,为焊接一定的材料,从中间层合金元素的选择、成分的设计到最佳焊接工艺的确定,是一项工作量极大的工作,人们常使用计算机模拟瞬间液相扩散连接收稿日期:2003-04-11 基金项目:江苏省自然科学基金项目(B K2002602) 作者简介:初雅杰(1979-),男,山东烟台人,华东船舶工业学院硕士研究生。

凝固模拟实验

凝固模拟实验 【实验性质】综合性实验；学时：4 ；选做实验 1实验目的 通过模拟实验了解实际高温钢液凝固过程，观察以下三种现象： （1）直接观察自然对流现象，目测其流速，观察宏观组织（Λ形偏析）形成的过程及“沟槽”产生的方位。 （2）观察结晶雨现象导致钢锭底部的负偏析（沉积锥）。 （3）观察凝固过程中氯化铵形成的基本晶形。 2实验原理及设备 2.1实验原理 金属凝固过程是从液态转化为固态的过程，从微观来讲，凝固就是金属原子从无序状态到有序状态的排序过程。也就是液态中无规则原子集团转变为原子按一定规则排列的固态结晶。从宏观来讲，是把液态金属所储藏的热和凝固潜热通过模壁转移到外界，使液态金属转变成为具有一定形状的固体金属。整个凝固过程将发生一系列的物理化学变化。 凝固过程的收缩，密度的差异以及温度场的变化而产生的自然对流现象对钢坯的质量影响是特别显著的。特别是在模铸生产中，大型镇静钢锭由于成分不均匀性而产生Λ形偏析（也就是冶金中常说的倒V形偏析，偏析部位表现在钢锭的柱状晶带上），以及钢锭底部的沉积锥偏析等内部缺陷。 2.1.1 倒“V”形偏析的形成 含有不同物质的熔体在凝固过程中，由于温度、密度、体积以及温度场的变化，液体中会产生对流现象。这种对流现象使流动的液体在通过柱状晶凝固前沿时不易凝固，随着柱状晶的生长延伸而夹入中间，形成带有一定角度的液体流。在选分结晶过程中，高熔点的物质首先结晶，低熔点的物质向液体中扩散，形成液体流中低熔点的物质富集，我们称为正偏析。在钢锭的表现形式称为“Λ”形偏析或称倒“V”形偏析。在钢坯的横断面上通过低倍腐蚀表现得形状又称为“方框形”偏析或称“锭形”偏析。 2.1.2 沉积锥偏析 熔体在凝固过程由于选分结晶，高熔点的物质首先形核结晶称为固体。密度小的物质上浮，密度大的物体自然下落。根据形核机理，在一定温度下会形成大量的晶体，由于其密度大于熔体而下落，在下落过程逐渐长大，此现象称为结晶雨。柱状晶向中心生在阻碍了边沿晶体的下落，在底部形成一个锥体，称为沉积锥。由于高熔点的物质成分富集，所以称为负偏析。 2.1.3 减少偏析生成的措施 （1）提高熔体的纯洁度，减少钢中有害元素。 （2）改善熔体的凝固条件控制浇注过程的注温、注速。 （3）改善熔体凝固过程的动力学条件。 2.2实验方法 本实验采用NH4Cl-H2O溶液模拟钢锭凝固过程，NH4Cl-H2O系二元相图如图1所示。由于NH4Cl-H2O溶液的透明性和NH4Cl-H2O树枝晶体的半透明性，因而可以观察晶体及凝固结构形成的过程，更可形象地观察到晶体的结构。再者氯化铵溶液熔化焓低，便于模拟实验操作。由图1可知，氯化铵溶液的浓度超过19.7%以后为过共晶系，实验中可采用35%的

11-高密度聚乙烯非等温结晶动力学及结晶行为的模拟-杨鸣波

高密度聚乙烯非等温结晶动力学及结晶行为的模拟 陶四平，于润泽，周明，冯建民，杨鸣波* （四川大学高分子科学与工程学院，高分子材料工程国家重点实验室，四川成都610065） 摘要：通过差示扫描量热法对高密度聚乙烯的非等温结晶动力学进行了探讨，引入非等温 结晶诱导时间后，比较了两种能描述聚合物在变温热历史下的结晶动力学，结果表明 Nakamura法描述HDPE的结晶动力学与实验一致性比Dutta法好。在Nakamura模型中， 结合线性回归分析和试差法，找到了能直接从非等温结晶实验中获取HDPE的结晶动力学 参数的方法。 关键词：高密度聚乙烯；结晶动力学；诱导时间 Modeling of Non-isothermal Crystallization Kinetics of High Density Polyethylene TAO Si-ping ，YU Run-ze ，ZHOU Ming ，FENG Jian-min ，YANG Ming-bo (College of Polymer Science and Engineering, State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering, Sichuan University, Chengdu, 610065, China) Abstract: Non-isothermal crystallization kinetics of high density polyethylene was investigated via differential scanning calorimeter (DSC). Non-isothermal crystallization kinetics data obtained from DSC were employed to estimate the kinetic parameters of mathematical models describing the non-isothermal crystallization of HDPE. It was found that the non-isothermal crystallization kinetics of HDPE can be best described by Nakamura model with the inclusion of induction times. A linear regression method and trial-and-error method were presented using the Nakamura model to obtain crystallization rate equation parameters directly from non-isothermal crystallinity data. Key words: high density polyethylene; crystallization kinetics; induction times 高密度聚乙烯（HDPE）作为一种半结晶型聚合物，由于物化性能优异、成型加工简易、价格相对便宜等优点，已广泛用于国民生产的各个领域，成为产量和需求量最大的一类合成树脂之一。 通常，半结晶型聚合物在成型加工过程中由熔体等温或非等温冷却至特定形状的制品时都会产生晶体结构，这一微观结构往往又是控制制品性能好坏的重要因素，如刚度、韧性、透明度等。因此，为了寻求最佳的成型加工条件并获得最优性能的制品，定量探讨它们在成型加工过程中的结晶行为或结晶度的增长规律，已越来越受学者们关注[1-3]。为实现HDPE 收稿日期： 基金项目：国家自然科学基金重点项目资助(29934070) 作者简介：杨鸣波(1957-), 教授, 博导. 研究方向: 高分子材料加工工程 *通讯联系人

第三章 二元合金相图和二元合金的结晶

第三章二元合金相图和二元合金的结晶 §1 概述 一、合金系 由一定数量的组元配制成的不同成分的一系列合金组成的系统，称合金系。两个组元的称二元合金系，三个组元的称三元合金系。例如,Cu-Ni是二元合金系，而Pt-Pd-Rh是三元合金系。 二、什么是合金相图 合金相图是表示平衡状态下合金系的合金状态和温度、成分之间关系的图解。该定义中，“平衡状态”是指一定条件下，合金自由能最低的稳定状态；而“合金状态”是指合金由哪些相组成，各相的成分及其相对含量是多少。 三、合金相图的作用 利用合金相图可以了解各种成分的合金，在一定温度的平衡条件下，存在哪些相、各相的成分及其相对含量。但它不能指出相的形状、大小和分布状况，即不能指出合金的组织状况。尽管如此，如果能把相图和相变机理、相变动力学结合起来，那么相图便可成为分析组织形成和变化的有利工具，成为金属材料生产、科研的重要参考资料，因此，相图是金属学的重要内容之一。 §2二元合金相图的建立 一. 二元合金相图的表示方法 1.用平面坐标系表示二元合金系 物质的状态通常由成分、温度和压力三个因素确定。由于合金的熔炼、结晶都是在常压下进行的，所以，合金的状态可由成分和温度两个因素确定。对于二元合金系来说，一个组元的浓度一旦确定，另一个组元的浓度也随之而定，因此成分变量只有一个，另一个变量是温度，所以用平面坐标系就可以表示二元合金系。通常用纵坐标代表温度，横坐标代表成分。成分多用重量百分比来表示。（如图3.1所示），横坐标的两个端点A、B代表组成合金的两个组元。 2.二元合金相图中的表象点和表象线 在二元合金相图中，平面上任意一点称为表象点。其坐标值表示合金的成分和温度。例如图中的E点表示合金由40%的B组元和60%的A组元组成，合金的温度为500℃。 在二元相图上，过合金成分点的垂线，称合金的表象线。 二. 二元合金相图的测定方法 建立相图的方法有两种：实验测定和理论计算。目前使用的相图大多是用实验方法建立的。实验方法有多种，如：热分析法、金相法、膨胀法等。现以Cu—Ni合金为例，介绍用热分析法测定二元合金相图的过程。 三.相律及其应用 1.相律 相律是表示平衡状态下，系统自由度数、组元数和相数三者之间的关系的定律，它可用下列数学表达式来表示： c f =p 2 + -

凝固过程模拟仿真课程论文

凝固过程模拟仿真课程论 文 铸造过程数值模拟的研究发展现状 (Research on the development status of numerical simulation of casting process) 学院名称：材料科学与工程学院 专业班级：复合材料1102 学生姓名：不知道 学号：3110703451 指导教师：怯喜周

铸造过程数值模拟的研究发展现状 摘要：随着电子计算机技术的飞速发展，铸造工艺计算机辅助设计CAD，铸件凝固过程数值模拟CAE等多项技术已大量应用于生产实际。工业发达国家制定的下一代制造（NGM）计划所提出的十项关键基础技术中就包括建模与仿真。铸件的凝固过程数值模拟技术主要包括铸件及其工艺的几何造型、三维传热数值计算技术和缺陷判据这三部分，并可对凝固过程中出现的缺陷进行预测，评判铸造工艺设计的合理性，以减少工艺实验的次数，降低工艺设计成本，提高工艺出品率和合格率。 关键词：凝固模拟；数值仿真；铸造CAE；CAD；铸造充型； Research on the development status of numerical simulation of casting process Abstract: with the rapid development of computer technology, computer aided design of foundry technology CAD, numerical simulation of casting solidification process of CAE and many other technology has been widely applied in actual production. Industrial developed countries to develop the next generation manufacturing (NGM) are ten key basic technology plan put forward in includes modeling and simulation. The casting defects of computing technology and criterion of this three part of numerical heat transfer, including 3D geometric modeling and Simulation of the process of casting solidification process numerical, and to predict the defects that appear during the solidification process of casting process design, evaluation of rationality, in order to reduce the times of experiment process, reduce the design cost, increase the process yield and the qualified rate. Keywords: solidification simulation; numerical simulation; CAE CAD; casting; mold filling; 1 前言 凝固在自然界及人类生产实践中占有十分重要的地位。从熔岩冻结为地壳到

第三章 二元合金相图和合金的凝结

第三章 二元合金相图和合金的凝固 一．名词解释 相图、相律、匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、异晶转变、平衡结晶、不平衡结晶、异分结晶、平衡分配系数、晶内偏析、显微偏析、区域偏析、区域提纯、成份过冷、胞状组织、共晶组织、亚共晶组织、过共晶组织、伪共晶、离异共晶、 二．填空题 1.相图可用于表征合金体系中合金状态与 和 之间的关系。 2.最基本的二元合金相图有 、 、 。 3.根据相律，对于给定的金属或合金体系，可独立改变的影响合金状态的内部 因素和外部因素的数目，称为 ，对于纯金属该数值最多为 ， 而对于二元合金该数值最多为 。 4.典型的二元合金匀晶相图，如Cu-Ni 二元合金相图，包含 、 两条相线， 、 、 三个相区。 5.同纯金属结晶过程类似，固溶体合金的结晶包括 和 两 个基本过程 。 6.勻晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为________ 。 7.共晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为___________ _。 8.共析反应的特征为_____________，其反应式可描述为_____________。 9.金属或合金在极缓慢冷却条件下进行的结晶过程称为 。纯金属结 晶时所结晶出的固相成分与液相成分 ，称为 ；而固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分 ，称为 。10.固溶体合金经不平衡结晶所产生的两类成分偏析为 、 。11.固溶体合金产生晶内偏析的程度受到溶质原子扩散能力的影响，若结晶温度 较高，溶质原子的扩散能力小，则偏析程度 。如磷在钢中的扩散能力较硅小，所以磷在钢中的晶内偏析程度较 ，而硅的偏析较 。12.固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，结晶树枝主轴含有较多的________组元。 严重的晶内偏析降低合金的 ，为消除枝晶偏析，工业生产中广泛采用 的方法。13.根据区域偏析原理，人们开发了 ，除广泛用于提纯金属、金属化合物 外，还应用于半导体材料及有机物的提纯。通常，熔化区的长度 ，液体 管架设技不同习题电统启高中资高中资资料免不保护置高中资料

第三章 二元合金相图和合金的凝固

第三章二元合金相图和合金的凝固 一．名词解释 相图、相律、匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、异晶转变、平衡结晶、不平衡结晶、异分结晶、平衡分配系数、晶内偏析、显微偏析、区域偏析、区域提纯、成份过冷、胞状组织、共晶组织、亚共晶组织、过共晶组织、伪共晶、离异共晶、 二．填空题 1.相图可用于表征合金体系中合金状态与和之间的关系。 2.最基本的二元合金相图有、、。 3.根据相律，对于给定的金属或合金体系，可独立改变的影响合金状态的内部因 素和外部因素的数目，称为，对于纯金属该数值最多为，而对于二元合金该数值最多为。 4.典型的二元合金匀晶相图，如Cu-Ni二元合金相图，包含、两 条相线，、、三个相区。 5.同纯金属结晶过程类似，固溶体合金的结晶包括和两 个基本过程。 6.勻晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为________ 。 7.共晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为___________ _。 8.共析反应的特征为_____________，其反应式可描述为_____________。 9.金属或合金在极缓慢冷却条件下进行的结晶过程称为。纯金属结 晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为；而固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为。 10.固溶体合金经不平衡结晶所产生的两类成分偏析为、。 11.固溶体合金产生晶内偏析的程度受到溶质原子扩散能力的影响，若结晶温度较 高，溶质原子的扩散能力小，则偏析程度。如磷在钢中的扩散能力较硅小，所以磷在钢中的晶内偏析程度较，而硅的偏析较。 12.固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，结晶树枝主轴含有较多的________组元。 严重的晶内偏析降低合金的，为消除枝晶偏析，工业生产中广泛采用的方法。 13.根据区域偏析原理，人们开发了，除广泛用于提纯金属、金属化合物 外，还应用于半导体材料及有机物的提纯。通常，熔化区的长度，液体

泵体铸件凝固过程模拟

第一章绪论 1．1选题的背景及意义 铸造行业是一个古老而又非常重要的传统行业，具有数千年的历史。无论过去还是现在，无论发达国家还是发展中国家，铸造行业对国民经济的发展都起着十分重要的作用。据有关资料统计，铸件(按重量计)在机床、内燃机、重型机器中占70％～90％，农业机械中占40％--70％。此外，在冶金工业、能源工业的水电站、火电站与核电站、航空、航天等产业部门都发挥着重要作用。 铸造技术随着科学技术和生产机械化的发展而获得了巨大发展，但我国铸造行业的技术水平与国外相比有较大差距，它严重制约着我国国民经济的发展。我国铸件年产量已超过1000万吨。居世界第二，但其中高性能、优质铸件的比例只占20．7％，丽美国已占40．7％(1998年统计)；精密铸件比例只占2％，而美国已占13％(1994年统计)。又如，服务予航空、航天工业的精密熔模铸造业，全世界销售额为52.3亿美元，其中美国为24.8亿奖元，占47.4％，而中国仅1．8亿美元，只占3.4％。另外，我国铸件重量平均比国外重10％、20％，劳动生产率低5～8倍，而能耗高2倍。再以汽车发动机缸体铸件为例：我国生产的发动机缸体铸件平均壁厚为5.5～6.0mm，而国外只有3.5-4.5mm。我国的轿车生产已有多年历史，但目前发动机铸铁缸体质量仍然是关键技术问题。 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真是铸造学科发展的前沿领域，是改造传统铸造产业的重要途径。经历了数十年的努力，铸件充型凝固过程计算机模拟仿真发展已进入工程实用化阶段。铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。铸件充型凝固过程的数值模拟，可以帮助工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的某些缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效的预测，在浇注前采取对策以确保铸件的质量。缩短试制岗期，降低生产成本。计算机技术的突飞猛进使得这一梦想成为现实。 1．2用计算机技术改造传统铸造行业 1．2．1 铸造过程计算数值模拟的国内外研究概况 随着计算机技术的迅猛发展，计算机在铸造中的应用越来越广泛。60年代初，杰·麦德弗洛桑德把戴森摩尔等人在工程应用中提出的有限差分近似法第一次用于铸造凝固过程的传热计算，开始了铸件凝固的过程模拟。此后，美国密西根大学的曼.万等人以及日本的大中逸雄等相继开始了凝固过程模拟，并取得了显著的进步。在第50届国际铸造年会举办的“凝固过程计算机模拟”专题讨论会上，深入讨论了铸件凝国过程数值模拟在研究微观组织结构和铸件性能等方面的应用，总结了凝固过程模拟所依据的。系列关系式，并设想利用这些关系式将几何

PP、PET的等温和非等温结晶动力学

PP、PET的等温和非等温结晶动力学

仪器：差示扫描量热仪DSC 1

非等温结晶参数(参考文献JAPS,1984,29,1595) Tp －结晶峰温度； T onset －起始结晶温度；T endset －结晶终止温度； T onset -Tp －结晶速度的大小，其值越小，结晶速度越快； Si －结晶放热峰起始斜率,可表示成核速度；ΔW －结晶半峰宽，表示晶体的分布，ΔW 越小，晶体分布越窄。 s i = tg αH e a t f l o w , e x p o Temperature, o C Tp T onset a w T endset

两种PP 产品的结晶参数对比 47.49 45.33Xc %38 2-3MI g/10min 5.5 117.7 112.2 PPS2040 4.311 5.5111.2PPF401T ons e t -T p , ℃T onset ,℃T p ,℃样品

非等温结晶动力学方程 在DSC 曲线中任意结晶温度时的相对结晶度Ⅹ(T)可用下式进行计算： 其中, T 0是开始结晶时的温度, T ∞是结晶完全时的温度，Q T 和Q T ∞ 是在结晶温度为T 0和结晶温度为T ∞所释放的热量。 Avrami 方程： 式中，X (t ) 是不同时间t 的相对结晶度，K (T )是结晶速率常数，n 为Avrami 指数，其值与成核机理和晶体的生长方式有关。 再利用公式t = (T 0-T) / Ф进行时温转换,即可得到试样相对结晶度与结晶温度，结晶时间的关系。式中t 是结晶时间, T 0是结晶起始温度, T 是结晶温度, Ф是降温速率。 n t T K t X )(exp(1)(??=(2) ∫ ∫∞ ∞==T T T T T T dT dT dH dT dT dH Q Q T X 0 0)()()((1)

镍基高温合金瞬时液相扩散焊微观结构的研究

GTD-111 镍基高温合金瞬时液相扩散焊微观结构的研究 作者M. Pouranvari?, A. Ekrami, A.H. Kokabi 译文山东大学材料科学与工程学院马群双 材料科学与工程学院, 谢里夫科技大学, P.O. Box 11365-9466, 德黑兰, 伊朗. 2007.5.31初稿. 2007.7.19修订稿. 2007.7.21接收. 2007.8.6在线刊登 摘要 瞬时液相扩散焊(TLP)使用非晶态的Ni–Si–B夹层金属MBF30，连接镍基高温合金GTD-111。扩散焊是在真空环境下保温1100℃，保持不同时间进行的。接头区域的显微结构通过光学显微镜和扫描电子显微镜进行研究。微观结构的研究表明，等温凝固完成之前，接头区由四种不同的区域构成：无热凝固产生的中心线共晶相，等温凝固产生的固溶体相，扩散诱发的硼化物沉淀相和母材金属。在1100℃下保持75min时等温凝固完成，同时抑制中心线共晶相的形成。在1150℃下保持240min等温凝固接头完成均匀化，导致扩散影响区的二次沉淀物减少和接头区大量γ’相沉淀物的形成。 ? 2007 Elsevier B.V. All rights reserved. 关键词：GTD-111高温合金; TLP扩散焊;等温凝固; 微观结构 1.前言 GP强化的镍基高温合金如GTD-111，广泛应用于航空发动机和涡轮发电机的高温部位。它们在高温下能够提供优异的抗拉强度，抗应力破坏和蠕变能力，疲劳强度，抗氧化和腐蚀能力以及微观结构的稳定性。 涡轮发动机的效率不断提高，发动机部分的复杂度也不断增加。此外，地基涡轮机尺寸的增加导致易于产生斑点缺陷的大截面组件的使用。因此，成功和高效的制造燃气涡轮发动机需要在各种条件下使用熔焊或钎焊的方法连接高温合金。另一方面，一个涡轮叶片通常表现出各种类型缺陷的结合，例如：热疲劳裂纹，腐蚀，外来物破坏，热腐蚀，氧化和硫化等等。高温合金组件成本的增加导致人们对修复受损组件更加重视[1,2]。 熔焊，扩散焊和钎焊工业中广泛应用的三种主要连接和修复制造技术[3]。硼化物和硅化物等易碎相会在钎焊过程中形成，对接头的机械完整性产生不利影响[1,4,5]。镍基高温合金的焊接性主要取决与Al和Ti元素的含量。沉淀强化的镍基高温合金含有更多集中的Al 和Ti元素，在焊接和焊后热处理过程中，显微裂纹敏感度较高。而且，显微偏析和焊接融合区非平衡凝固产生的非稳相的转变对焊件的性能有重大影响[7]。 瞬时液相扩散焊也叫扩散钎焊，是修复和连接镍基高温合金的首选方法。它是一种结合了液相连接和固相连接优点的混合过程。瞬时液相扩散焊与普通扩散焊的区别在于液相中间阶层的形成使扩散焊过程不需要很高的压力[17]。一般认为，TLP过程中有三个明显的过程，即：母材溶解，等温凝固和固相均匀化。等温凝固和后续的固相均质化热处理生产接头，可以使焊接接头与母材化学成分一致并且在结合线附近没有显微可见的材料断裂[18]。 本文主要研究，使用Ni–Si–B中间夹层，用TLP扩散焊连接GTD-111高温合金时，扩散时间和均质化热处理对接头微观结构的影响。 2.实验材料和实验过程 在本次试验中，GTD-111高温合金在标准热处理条件下用作母材。并且，使用商业的Ni–Si–B合金(MBF30)以厚度25.4μm的非晶态薄片的形式用作中间夹层。镍基高温合金

铸件充型凝固过程数值模拟实验报告

哈尔滨工业大学 《材料加工过程数值模拟基础》实验课程 铸件充型凝固过程数值模拟实验报告 姓名： 学号： 班级： 材料科学与工程学院

铸件充型凝固过程数值模拟实验报告 实验一：铸件凝固过程数值模拟 一、实验目的 1．学习有限差分法温度场模拟的数学模型和基本思路； 2．掌握用AnyCasting 铸造模拟软件进行温度场模拟的方法。 二、实验原理 1．有限差分法温度场模拟的基本思路： 设计铸造工艺方案→根据定解条件求解能量方程→揭示凝固行为细节→预测凝固缺陷→改进工艺方案，返回第二步循环。 2．有限差分法温度场模拟的数学模型： 222222T T T T L C t x y z t r l 骣抖抖?÷?÷=+++?÷÷?抖抖?桫 三、铸件凝固模拟过程及参数设置 1．凝固模拟过程 铸件、浇冒口等三维实体造型（输出STL 文件）→网格剖分、纯凝固过程参数设置等前处理→凝固温度场和收缩缺陷计算模拟数据→后处理得到动态的液相凝固、铸件色温图和缩孔缺陷等文件。 2．参数设置 铸件材质：AC1B 铸型材质：SM20C 初始条件：上下模500℃，侧模400℃，升液管700℃。 边界条件：所有界面与空气间的界面传热系数都为10W/(m 2?K)，熔融金属液与模具之间的界面传热系数为4000 W/(m 2?K)，各部分模具间和模具与升液管间界面传热系数都为5000 W/(m 2?K)。 四、模拟结果

图1 冷却时间 由于模拟中设置了水冷和空冷条件，所以铸件冷却速度较快。由图1可知凝固首先发生在铸件表面，铸件的轮辋区厚度较薄，冷却速度比轮辐处冷却快。内浇口先于轮辐凝固，在内浇口凝固后升液管内铝合金熔液无法对轮毂进行补缩， 则在轮毂中最后凝固处容易产生缩松缩孔。 图2 冷却率 由冷却率分布情况可知凝固过程中各部分冷却速率不同，可以判断出凝固时 内应力较大的区域，在应力较大区域铸件容易产生裂纹缺陷。 由模拟结果中铸件的温度场情况，合理设置工艺参数减少缩松缩孔及裂纹的 产生，合理布置冷却水管的分布位置。

第3章第三章 二元合金相图和合金的凝固作业

第三章二元合金相图和合金的凝固 一、名词： 相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。 平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。 成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。 异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。 共晶转变：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。 脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。 包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。 成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。 二、简答： 1. 固溶体合金结晶特点？ 答：异分结晶；需要一定的温度范围。 2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？ 答：溶质平衡分配系数k0；溶质原子扩散能力；冷却速度。 3. 影响成分过冷的因素？

答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。 4. 相图分折有哪几步？ 答：以稳定化合物为独立组元分割相图并分析；熟悉相区及相；确定三相平衡转变性质。 三、绘图题 绘图表示铸锭宏观组织三晶区。 四、书后习题 1、何谓相图？有何用途？ 答：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。 2、什么是异分结晶？什么是分配系数？ 答：异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。 3、何谓晶内偏析？是如何形成的？影响因素有哪些？对金属性能有何影响，如何消除？ 答：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象 形成过程：固溶体合金平衡结晶使前后从液相中结晶出的固相成分不同，实际生产中，液态合金冷却速度较大，在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就继续下降，使每个晶粒内部的化学成分布均匀，先结晶的含高熔点组

金属凝固过程模拟

金 属 凝 固 过 程 模 拟 Numerical simulationongradientcooling behavior of jumbo slab ingot Abstract: Shrinkage porosity defect is often found in an air cooled jumbo steel ingot, which will influencethe quality of the final rolled plates. In practical production, some rolled plates are frequently rejected dueto the serious shrinkage porosity of the ingot. To improve the quality of the ingot, a new cooling method, gradient cooling process (in which the upper part of the ingot is air cooled and the lower part is spray

cooled) was put forward in this study. The solidification behaviors for a 60 t jumbo slab ingot under gradient cooling condition were simulated using the ProCast software, and the results were compared with those of an ingot by air cooling condition. The solidifying tendency, temperature field and distribution of shrinkage porosities in the ingot under different cooling conditions were analyzed. Simulation results show that under gradient cooling condition the solidification of the slab ingot progresses in an upward manner along the vertical z axis and in a centripetal manner along the horizontal x and y axes. Gradient cooling can efficiently reduce shrinkage porosity of the jumbo slab ingot by optimizing the solidification sequence, and making the position of shrinkage porosity move from near the middle height of the ingot (under air cooling condition) towards the head of the ingot; and the secondary shrinkage is eliminated. In addition, the solidification time of the ingot under gradient cooling is 7.3 h in this simulation, which is 2.7 h faster than that under air cooling. A 60 t jumbo slab ingot was successfully produced under gradient cooling condition. The ingot was rolled to a plate with a thickness of 100 mm and length of 18,000 mm, and ultrasonic flaw detection was performed. Some porosity was found along the axis of the plate at 4,900 - 6,000 mm from the head of the plate, indicating that the position of the defect is moved towards the head of the ingot. This distribution trend of the defect is consistent with the simulated result. Key words: gradient cooling; slab ingot; temperature field; shrinkage; numerical simulation 1 Numerical simulation method ProCast software was used for simulation in this study. The solidification time of the jumbo ingot is much longer than tis filling time, so the initial temperature of the ingot was set as the pouring temperature T p, which was 1,580 oC for the steel used in this study. The initial temperatures of the cast iron mould and the heat insulation plate were taken as the ambient temperature of 25 oC. Boundary conditions were set according to Q = h eff (T hot–T cold), where Q is heat flux; h is equivalent interface heat transfer coefficient; T hot is the hot surface eff temperature;and T cold is the cold surface temperature. The heat transfer coefficient between mould and ingot was 1,800 W·K-1·m-2.The heat transfer coefficient between heat insulation plate and ingot was 20 W·K-1·m-2. The upper half of the mould wall was air cooled at a heat transfer coefficient of 10 W·K-1·m-2. The lower half was spray cooled at a heat transfer coefficient of 1,000 W·K-1·m-2 [10].