合金凝固过程传质数值模拟

铝合金铸件凝固过程的宏观及微观模拟仿真研究进展柳百成，熊守美，许庆彦摘要：使用数值方法来提高计算效率，并对于扩展铝压铸工艺的凝固和充模的计算规模进行了研究。

也对于成型充填模拟的并行计算方法进行了研究，同时对于凝固模拟，隐式有限差分方法和瞬态面层的概念也进行了研究。

另外，修改后的元胞自动机方法被用来模拟的微观结构形成的过程和铝合金的演变，其中包括的晶粒结构和树枝状微观结构。

实验结果表明，文章中的模型合理的描述了组织形成的过程和演化。

DOI: 10.1007/s11663-007-9073-y© The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International 2007I. 简介铝合金铸造起在汽车，航空航天，电子等行业重要的作用。

虽然每年的铸造生产在中国是1988万吨，在世界在2004年的第一个位置，铝合金铸件所占比例仍然很低，比发达国家要低8~10%。

由于制造业，尤其是汽车行业的快速发展，据预测，铝合金铸件将显著在未来几年增加。

建模和仿真将是一个非常重要的工具，以优化的铸造过程中，缩短前置时间，以保证质量，并同时能够提高铝合金铸件的力学性能。

因为高压压铸是一种主要的铝合金铸件近终形铸造技术，在这篇文章中，通过使用并行计算技术，对模具填充的数值模拟和高压压铸过程的热传递进行了研究，特别是考虑到复杂的循环特性和计算效率的提高。

此外，晶粒结构在铝合金铸件性能和机械性能起重要的作用。

许多的方式，包括确定性模型，相场法，元胞自动机（CA ）的方法等，已经对晶粒结构的凝固过程进行了预测。

在这篇文章中，修改后的CA 方法对铝合金铸件凝固过程中晶粒演变的模拟提供了发展。

II. 应用并行计算技术的压铸工艺充型模拟通常，铸造工艺的压力条件下，熔融金属流被视为粘性湍流和具有恒定特性的可压缩流体。

根据质量，动量，能量和湍流量的守恒，在笛卡尔守恒方程的一般形式的坐标系可表示如下：()()()[1]j j j jS t x x x φφφρφρμφ∂∂∂∂+=Γ+∂∂∂∂这种求解算法（SOLA ）被广泛应用于求解流体容积（VOF ）方程来处理液体熔体的自由表面。

摘 要凝固组织对铸件的性能有重要影响，对凝固组织的控制研究，过去一般采用物理实验的方法，浪费了大量的人力和物力，实验周期长，使得该方法在实际应用中的范围受到了一定限制。

随着金属凝固理论的日益完善以及计算机技术在材料科学、冶金学上应用的迅猛发展，使得计算机技术对凝固组织进行准确的模拟成为可能。

本文建立了有限元（Finite Element）和元胞自动机法（Cellular Automaton）相结合的宏微观耦合的CA-FE模型，采用有限元法（FE）计算宏观温度场，元胞自动机法（CA）计算微观凝固组织形成，与宏观传热进行耦合。

在微观计算中，形核计算采用了基于高斯分布的连续形核模型，生长计算采用了扩展的KGT模型，使其适用范围由二元合金扩展至多元合金。

应用CA-FE模型模拟了Al-Si合金的三维凝固组织，并进行了热态验证实验，应用修正的数学模型模拟并分析了原始成分、形核参数、浇注条件和铸模对凝固组织的影响。

研究结果表明：（1）模拟结果能够较为准确地反映出等轴晶和柱状晶的分布位置、比例和大小，并能较好描述凝固过程中晶粒生长情况，说明CA-FE模型是模拟凝固组织的有效模型；（2）降低原始成分Si含量以及提高过冷度是有利于柱状晶的发展，而增大形核密度是有利于等轴晶的发展，且能细化晶粒；（3）提高浇注温度，凝固组织中柱状晶增多，且晶粒明显变得粗大，而铸模外界冷却强度对铸件凝固组织的影响不大；（4）增大铸模厚度和使用冷却能力强的铸模都将使凝固组织中柱状晶比例增大，当使用冷却能力差的硅砂模时，凝固组织没有柱状晶而全为等轴晶。

关键词：有限元；元胞自动机法；数值模拟；凝固组织；等轴晶；柱状晶AbstractSolidification structure has an important influence on the performance of casting. In the past, the method of physical experiment was applied to the research of controling the solidification structure generally, however, a great deal of time and efforts should be put while using this method. so it is limited in the practical application. With the improvement of metal solidification theory and the rapid development of computer technology used in materials science and metallurgy, it has become possible to simulate the solidification structure accurately with computer technology.The CA-FE model was built through coupling the finite element and cellular automaton method. The finite element method was used to calculate macro temperature, and the cellular automaton method was used to simulate solidification microstructure with coupling the macro temperature calculation. In microstructure simulation, the nucleation adopts the continuous nucleation model based on Gaussian distribution, and the growth adopt the extended KGT model which fit complex alloy expanded from binary alloy. The three-dimensional solidification structures of Al-Si alloy was simulated by CA-FE model with hot verification test. In addition, the effects of primitive composition, nucleation parameters, casting conditions and the mold on solidification structures were analysised.The results show as follows:(1) The simulated results can accurately reflect the distribution, proportion, size of equiaxed grain and columnar grain，and can describe the grain growth well in the solidification process, so the CA-FE model is a effective model to simulate the solidification structure.(2) Reducing primitive composition of Si element and increasing undercooling are conducive to the development of columnar grains, but increasing nucleation density is conducive to the development of equiaxed grains, and can fine grains.(3) Raising the casting temperature, the proportion of columnar grain will increase, and the grains become coarse obviously，but the effect of the cooling intensity outside the mold on solidification structure is slight.(4) Enlarging the thickness of the mold or using the mold with strong cooling capacity, the proportion of columnar grain will increase. While using the Silica Sand mold with weak cooling capacity, the solidification structure were composed with all equiaxed grains and without columnar grain.Key words：finite element; cellular automaton; numerical simulation; solidification structure;equiaxed grain; columnar grain目 录第一章文献综述 (1)1.1 引言 (1)1.2 凝固组织的形成与控制 (2)1.2.1 铸件的凝固组织 (2)1.2.2 凝固组织的形成及影响因素 (3)1.2.3 凝固组织对铸件性能的影响 (4)1.2.4 凝固组织的控制 (5)1.3 凝固组织模拟的研究方法 (7)1.3.1 确定性方法(Deterministic Method) (7)1.3.2 随机性（概率）方法( Stochastic Method) (8)1.3.3 相场法(Phase field Method) (10)1.3.4 三种方法的对比 (11)1.4 凝固组织数值模拟的国内外研究进展 (12)1.4.1 国外研究 (12)1.4.2 国内研究 (15)1.4.3 存在问题及今后发展趋势 (16)1.5 本文所研究的主要工作 (17)第二章铸件凝固过程宏微观耦合模型 (19)2.1 宏观温度场计算模型 (19)2.1.1 热传递的基本方式 (19)2.1.2 热传导微分方程 (20)2.1.3 瞬态温度场的有限元解法 (21)2.2 微观动力学模型 (23)2.2.1 形核模型 (23)2.2.2 枝晶尖端动力学模型 (26)2.3 耦合计算模型 (29)2.3.1 耦合计算流程 (29)2.3.2 凝固潜热处理 (31)2.3.3 固相分数的确定 (32)2.4 本章小结 (33)第三章数学模型的计算与验证 (34)3.1 实验 (34)3.1.1 实验材料 (34)3.1.2 实验设备 (34)3.1.3 实验步骤 (35)3.1.4 实验结果 (35)3.2 数值模拟过程 (35)3.2.1 网格划分 (35)3.2.2 热物性参数 (35)3.2.3 初始条件 (36)3.2.4 边界条件 (37)3.2.5 生长系数 (37)3.2.6 形核参数 (38)3.3 模拟结果及分析 (38)3.3.1 模拟结果 (38)3.3.2 柱状晶生长 (40)3.3.3 中心等轴晶生长 (42)3.4 本章小结 (43)第四章 AL-SI合金凝固组织的数值模拟与分析 (44)4.1 原始成分对凝固组织的影响 (44)4.2 形核参数对凝固组织的影响 (45)4.2.1 过冷度对凝固组织的影响 (45)4.2.2 形核密度对凝固组织的影响 (46)4.3 浇注条件对凝固组织的影响 (47)4.3.1 浇注温度对凝固组织的影响 (47)4.3.2 外界冷却强度对凝固组织的影响 (49)4.4 铸模对凝固组织的影响 (50)4.4.1 铸模厚度对凝固组织的影响 (50)4.4.2 铸模材料对凝固组织的影响 (52)4.5 本章小结 (53)第五章：结论 (54)参考文献 (55)致谢 (58)附录：发表的论文 (59)第一章文献综述1.1 引言众所周知，决定铸件产品机械性能的最本质因素是铸件内部晶粒在宏观上的几何形态，即铸件的凝固组织结构，包括晶粒的形貌、大小、取向和分布等情况。

金属液流动与凝固过程数值模拟分析方法研究金属液流动和凝固过程数值模拟分析方法研究概述金属液流动和凝固过程是金属材料加工中的重要环节，对于金属制品的质量和性能有着重要影响。

因此，研究金属液流动和凝固过程的数值模拟分析方法具有重要的理论价值和实际应用价值。

本文将针对金属液流动和凝固过程的数值模拟分析方法进行研究，探讨其原理、步骤和应用。

一、数值模拟方法原理数值模拟方法是通过将物理系统离散化为有限的控制体积或网格，建立物理方程组，并使用数值计算方法求解，从而获得系统的增量或离散化解。

在金属液流动和凝固过程的数值模拟中，通常采用的是计算流体力学方法（CFD）或有限元方法（FEM）。

计算流体力学方法以连续介质力学为基础，通过对连续介质流动进行方程建模和求解，获得流动场的信息，进而研究流动的性质和变化规律。

在金属液流动和凝固过程的数值模拟中，流动方程通常采用Navier-Stokes方程，并结合运动边界条件、控制方程和物理方程对金属液流动过程进行数值模拟。

有限元方法是通过将物理系统划分为有限个单元，通过使用多项式近似解的方法，得到局部解之后，通过求解单元间的关系得到整体解。

在金属液流动和凝固过程的数值模拟中，有限元方法通常采用二维或三维的网格划分方法，将金属液的流动与凝固过程离散化为有限个单元，然后针对每个单元进行方程建模和求解，最终获得整体的解。

二、数值模拟方法步骤1. 建立几何模型：首先需要建立金属液流动和凝固过程的几何模型，通过CAD软件或者网格生成软件能够实现。

2. 网格划分：将几何模型离散为有限个单元或控制体积，进行网格划分。

在金属液流动和凝固过程的数值模拟中，网格划分需要根据流场的特点和凝固过程的要求进行合理的选择。

3. 建立物理模型：在金属液流动和凝固过程的数值模拟中，需要对流动方程、凝固方程和物理方程进行建模。

根据流动的性质和过程的要求，可以选择不同的物理模型。

4. 边界条件和初始条件：通过观察实验或实际生产中的数据，确定流场和凝固过程的初始条件和边界条件，以供数值模拟求解时使用。

··目前，铝合金采用传统压铸容易产生缩孔、夹杂等缺陷，且成形温度高，充型不平稳，大大降低了产品质量与模具寿命。

随着半固态成形技术和理论的不断成熟与发展，为铝合金压铸成形提供了新的途径。

与液态金属相比，半固态金属的温度处于固液相之间，在充型过程中，呈层流状态，减轻了金属的氧化、裹气和凝固收缩，提高了铸件的致密性和力学性能。

半固态金属充型过程的描述及充型工艺条件比较复杂，采用数值模拟技术可以对充型凝固过程进行动态显示，还可以预测铸件的缩孔缩松等缺陷的位置及严重程度，这对提高铸件质量、缩短生产周期、降低生产成本、指导工程技术人员采取合理措施优化工艺设计具有重要的意义[1-2]。

基于牛顿流体流变成形过程的数值模拟已经非常成熟[3-5]，但对于铝合金流变压铸成形的数值模拟研究工作报道较少[6-7]。

因此，本文针对某厂转向泵支架，采用商用铸造模拟软件，对传统压铸条件下和半固态流变压铸条件下铝合金的充型过程和铸件内部凝固分数进行了模拟和对比分析，并对可能出现的铸造缺陷进行预测，为铝合金流变压铸成形工艺提供了参考依据。

1基本假设与模拟计算基本方程1.1基本假设根据半固态铝合金的流变特性，半固态触变成形过程数值模拟的一般假设为[8]：（1）半固态流体为连续且不可压缩的金属流体，其流动特性由表观粘度来表征；（2）半固态浆料为均匀单相介质；（3）半固态坯料为等温介质，其成形过程中的传热可以被忽略；（4）半固态浆料在充填过程中的流动为单相等温层流流动。

------------------计算机应用胡志1，明北方1，闫洪1，周国华1，2（1.南昌大学先进成形研究所，江西南昌330031；2.宜春学院物理科学与工程技术学院，江西宜春336000）摘要：采用有限元数值分析软件对铝合金转向泵支架的牛顿流体和半固态流体压铸成形过程以及凝固分数变化过程进行数值模拟与分析，基于模拟结果和新山判据，对可能出现的铸造缺陷进行预测。

冶金信息导刊应用研究Application Research增材制造Inconel 718合金快速凝固组织形成数值模拟谭霖坤 姜 杰 徐秋兰 都孟帅 张庆宇（苏州大学沙钢钢铁学院 苏州 215137）摘　要：建立并采用描述快速凝固显微组织演化的元胞自动机模型，对Inconel 718合金增材制造过程中的枝晶生长和Nb元素的微观偏析问题进行数值模拟研究。

模拟结果再现了不同条件下等轴和柱状枝晶的生长过程。

结果表明，随着冷却速度的增大，一次和二次枝晶臂组织更加细小，且固相增长率更快。

在柱状枝晶生长阶段后期，一次枝晶臂间隙出现了明显的Nb元素微观偏析。

统计结果表明，随冷却速度和温度梯度的增大，Nb偏析面积减小且偏析位置分布更加分散。

关键词：增材制造；Inconel 718；快速凝固；微观偏析；数值模拟NUMERICAL MODELING OF MICROSTRUCTUREFORMATION IN THE PROCESS OF RAPIDSOLIDIFICATION DURING THE ADDITIVEMANUFACTURING OF INCONEL 718 ALLOYTan Linkun Jiang Jie Xu Qiulan Du Mengshuai Zhang Qingyu(Shagang School of Iron and Steel, Soochow University, Suzhou 215137, China)Abstract：The dendritic growth and Nb element microsegregation in the additive manufacturing of Inconel 718alloy were numerically simulated by establishing and using a cellular automaton model to describe the microstructureevolution of rapid solidification. The growth process of the equiaxed and columnar dendrites under different conditionswas simulated. The results showed that the microstructure of the primary and secondary dendrite arms became smallerand the growth rate of solid phase was faster with the increase of the cooling rate. At the later stage of the columnardendrite growth, Nb element microsegregation appeared in the primary dendrite arm gap. The statistical results showedthat with the increase of cooling rate and temperature gradient, Nb element microsegregation area decreased andmicrosegregation location distribution became more dispersed.Key words： additive manufacturing; Inconel 718; rapid solidification; microsegregation; numerical modeling本论文得到苏州大学大学生课外学术科研基金项目（重点项目）资助第一作者：谭霖坤，男，20岁，金属材料工程本科生收稿日期：2020-10-09温部件的关键材料种类[1]。

材料工程JOURNAL OF MATERIALSENGINEERING1999年第7期No.71999单晶高温合金定向凝固过程数值模拟刘世忠李嘉荣唐定忠钟振纲［摘要］实测了不同抽拉速度单晶高温合金定向凝固过程的初始条件、边界条件及温度场，建立了数值模拟系统的实体模型，采用ProCAST有限元模拟软件包计算了不同抽拉速度单晶合金试板的定向凝固过程温度场。

结果表明：模拟结果与实测结果吻合良好，在1000 ℃以上计算温度曲线与实测温度曲线相比误差小于5%；随着抽拉速度的增加，凝固速度提高，向下凹的液相线的曲率变大；采用数值模拟可为单晶合金定向凝固工艺的优化提供一种有效的手段。

［关键词］单晶高温合金；抽拉速度；温度场；数值模拟［中图分类号］TG111.4；TG244.3［文献标识码］A［文章编号］1001-4381 (1999)07-0040-03Numerical Simulation of Directional SolidificationProcess of Single Crystal SuperalloysLIU Shi-zhong,LI Jia-rong,TANG Ding-zhong,ZHONG Zhen-gang(Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China) Abstract：The thermal fields of the directional solidification of single crystal superalloys have been measured at various withdrawal rates. The entity model of a simulated system has been built and thermal fields have been calculated with ProCAST software. The results show that the discrepancy between the measured temperature data and the calculated temperature data is lower than 5% at three different withdrawal rates above 1000℃, the curvatures of the liquid lines are increasing with withdrawal rates increment. The numerical simulation of the directional solidification of single crystal superalloys can provide an available tool for optimizing solidification process.Key words:single crystal superalloys；withdrawal rate；thermal fields；numerical simulation随着航空技术的迅速发展，对涡轮发动机组成件的要求越来越高，因而对铸件的工艺要求也随之提高［1］。

凝固过程数值模拟嘿，朋友们！今天咱来聊聊凝固过程数值模拟这个有意思的事儿。

你说这凝固过程啊，就像是一场奇妙的舞蹈。

各种物质在特定的条件下，从液态慢慢变成固态，就好像舞者们在舞台上变换着姿势。

而数值模拟呢，就是我们观察这场舞蹈的神奇眼睛啦！想象一下，我们如果不通过数值模拟，就像闭着眼睛看舞蹈，那能看到啥呀？啥都看不清，稀里糊涂的。

但有了数值模拟，哇哦，那就完全不一样了！我们可以清楚地看到每一个细节，每一个变化。

比如说，温度是怎么影响凝固的呀，材料的成分又会起啥作用呀。

这数值模拟就像是给我们配了一个超级放大镜，能让我们把那些细微的地方都看得清清楚楚。

它能帮我们提前预测可能出现的问题，哎呀，这不就跟未卜先知似的嘛！比如说，我们能知道哪里可能会出现缺陷，然后提前想办法解决，免得事后再手忙脚乱。

你说这多厉害呀！咱就不用像没头苍蝇一样乱撞啦。

而且哦，通过数值模拟，我们还可以尝试不同的条件和参数，就像玩游戏一样，看看哪种组合能得到最好的结果。

这多有意思呀！就好比做饭，你不先试着模拟一下各种调料的搭配，直接就下锅乱做一通，那能好吃吗？肯定不行呀！但要是有了数值模拟，不就等于有了个菜谱，告诉你啥时候该放啥，放多少，那做出来的菜肯定好吃呀！再想想那些复杂的工业生产，要是没有数值模拟帮忙，那得浪费多少材料和时间呀！有了它，就能少走好多弯路呢。

所以呀，凝固过程数值模拟可真是个宝贝！它让我们对凝固这个神秘的过程不再摸不着头脑，而是能清楚地了解和掌控。

它就像我们的秘密武器，帮助我们在科学和工程的道路上越走越远，越走越好。

咱可得好好珍惜这个好东西，让它为我们发挥更大的作用呀！怎么样，是不是觉得很神奇呢？是不是也对凝固过程数值模拟有了新的认识呢？。

收稿日期：!""#$%!$!&基金项目：国家自然科学基金（’"#(’""&）、江西省自然科学基金（"&’"""’）和华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室开放基金（"#$)）资助项目。

第一作者简介：袁有录（%*+($），男，青海乐都人，硕士研究生，研究方向金属精确成型及数值模拟。

,-%%!铝合金压铸充型凝固过程的数值模拟袁有录，闫洪，揭小平，陈国香（南昌大学，江西南昌&&""!*）摘要：简要介绍充型凝固过程数值模拟的实际意义，分析了充型凝固过程数值模拟的特点，利用建立的数学模型对,-%%!铝合金压铸件进行了模拟。

通过对模拟结果的分析，预测了铸件在充型凝固过程中可能形成的缺陷，基本上与实际相符，并对现行的工艺方案提出了一些改进措施。

关键词：充型凝固；数值模拟；,-%%!铝合金中图分类号：./!*!文献标识码：0文章编号：%""+$+!&’（!""’）"#$""!’$"#!"#$%&’()*&#")(+&,-,./,)01&))&-2(-0*,)&0&.&’(+&,-3%,’$44,.(-56%%!7)"#&-"#7)),8&-3%$44"%$9&$:(4+&-2,102,34564，,027389，:;<=>?35@>89，A7<2/435B>?89（!(-’;(-2<-&=$%4&+8，!(-’;(-2>>??@A ，:;&-(）7B4+%(’+：.CD 84EDF>G?6H>E46?I>38H 3J E36K J>66>89?8K H36>K>J>G?I>38@F3GDHH J3F ICD ,-%%!?64E>84E ?663L MDFD K38D NL ICD H4@5@3HDK E?ICDE?I>G?6E3KD6O.CD G?HI>89KDJDGIH >8ICD @F3GDHH 3J E36K J>66>89?8K H36>K>J>G?I>38MDFD @FDK>GIDK NL ICD FDH46I 3J ICD G?HI>89H>E46?I>38O .CD G?HI>89KDJDGIH 3J H>E46?I>38?FD MD66G3E@?FDK M>IC ICD @F?GI>GDO P3ED ED?H4FDH @FDHD8IDK MDFD >E@F3QDK J3F ICD DB>HI>89IDGC83639>G?6@F3GDHHOC$8D,%04：E36K J>66>89?8K H36>K>J>G?I>38；84EDF>G?6H>E46?I>38；,-%%!?64E>84E ?663L在压铸生产中，许多铸造缺陷，如浇不足、冷隔、裂纹、缩孔和疏松等都在铸件的充型凝固过程中产生，该过程对铸件的最终质量起着决定性作用。

近年来，Fe-C二元合金凝固过程枝晶偏析的数值模拟研究受到了广泛的关注。

Fe-C 二元合金是一种具有重要工业应用的合金，其凝固过程影响着合金的组织和性能。

Fe-C二元合金凝固过程中的枝晶偏析是影响合金性能的一个重要因素，因此研究其凝固过程的枝晶偏析特性变得越来越重要。

为了更好地理解Fe-C二元合金凝固过程中的枝晶偏析，研究者们采用了多种数值模拟方法，如有限元分析，多尺度模拟，蒙特卡洛模拟等，模拟了Fe-C合金凝固过程中的枝晶偏析现象，并对其进行了细致的研究。

在有限元模拟方法中，研究者利用有限元方法模拟了Fe-C合金凝固过程中的枝晶偏析，以分析Fe-C合金凝固过程中枝晶偏析发生的机理、枝晶偏析形态变化及枝晶偏析速率变化规律。

此外，多尺度模拟方法也被广泛用于模拟Fe-C合金凝固过程中的枝晶偏析，该方法能够从微观尺度到宏观尺度对Fe-C合金凝固过程中的枝晶偏析进行详细的研究，并可以模拟出枝晶偏析的宏观表现形式。

蒙特卡洛模拟方法也被用于模拟Fe-C合金凝固过程中的枝晶偏析，该模拟方法可以模拟Fe-C合金中枝晶偏析过程中的温度场和枝晶空间分布，从而得到更为准确的枝晶偏析结果。

总之，Fe-C二元合金凝固过程枝晶偏析的数值模拟研究已经取得了很大的进展，各种数值模拟方法均为研究Fe-C合金枝晶偏析提供了很多有益的结果，为更好地理解Fe-C合金的组织结构和性能提供了重要的参考。

金属铸锻焊技术 Casting ·Forging ·Welding上半月出版随着计算机技术的飞速发展 , 铝合金的铸造发展步入了计算机数值模拟时代。

利用高性能的计算机 , 铸造工厂和工程师可以对铝合金铸造过程进行仿真模拟 , 在实际生产前对铸造工艺参数进行验证或优化 , 对铸造结果和缺陷可以做到预先的了解 , 从而可以大大缩短工艺试验周期、确保铸件质量、提高工艺出品率、降低生产成本和废品损失 , 对实际生产有着极高的使用价值 [1]。

铝合金铸造过程中的充型凝固过程对产品的质量和性能起着至关重要的作用 , 国内外的学者经过数十年的研究 , 取得了很大的进展。

1铝合金铸件充型过程数值模拟与算法铝合金的铸造缺陷如浇不足、卷气、缩松缩孔等都与液态金属的充型过程有关 , 因此对充型过程进行数值模拟非常必要。

金属液充型过程的流动过程非常复杂 , 准确描述金属液的流动是对流场进行模拟的关键 , 为此国内外的学者提出了很多有意义的计算方法 , 以期能够准确地对金属液的充型流动进行描述 , 最终达到对过程分析的目的。

从 20世纪 60年代开始 , 国内外学者对铸件的充型过程进行了大量的研究 , 在数学模型的建立、算法的实现、计算效率的提高以及工程使用化方面均取得了重大突破 [2]。

1972年由 Minnesota 大学的 Patankar 和 Spalding 提出了 SIMPLE 算法 , 该算法是对利用质量守恒方程使假定的压力场能不断地随迭代过程进行的改进 , 在不可压缩流体的动量方程数值铝合金铸造充型凝固数值模拟的研究现状与发展康道安 1, 杨屹 1, 吴敏 2, 邵京城 2, 卢东 1, 曾斌 1(1.四川大学制造科学与工程学院 , 四川成都 610065; 2. 湖北 3611机械厂 , 湖北襄樊 441002摘要 :铸造过程的计算机数值模拟是当前重要的研究方向 , 而铸件的充型凝固过程是整个模拟过程中的难点之一。

FOUNDRY试验研究Vol.68No.32019 Pb-Sn合金定向凝固斑点偏析的数值模拟崔家骏，李宝宽，牛冉，王卓（东北大学冶金学院，辽宁沈阳110819）摘要：为了探究二元合金垂直定向凝固过程中斑点偏析的形成过程，建立了定向凝固条件下速度场、溶质场及温度场耦合求解的数学模型，并利用该模型模拟了Pb-10wt%Sn合金圆柱形铸锭内的定向凝固过程。

结果表明，造成斑点偏析的流动起源于液相区而非糊状区内，富含溶质的流体不断向糊状区通道处流动聚集，并通过糊状区从液相区持续补充通道内的流动。

凝固结束后在铸锭内部形成了细长的溶质富集通道，顶部斑点分布在以铸锭半径的1/2为半径的圆弧附近，这一结果由实际生产铸锭的斑点偏析情况得以验证。

关键词：Pb-Sn合金；定向凝固；斑点偏析；数值模拟作者简介：崔家骏（1997-）,男，硕士,主要研究方向为咼温合金定向凝固过程的通道偏析。

E-mail:cuijiajun_neu@163. com通讯作者：李宝宽，男，教授，博士生导师。

电话：024-********,E-mail：libk@ 中图分类号：TG111.4；TG146.V4文献标识码：A文章编号：1001-4977（2019）03-0244-06基金项目：国家自然科学基金-辽宁联合基金资助项目（U1508214）o收稿日期：2018-11-16收到初稿, 2018-12-21收到修订稿。

随着科技水平的不断进步，当前军工和航空航天等高精尖领域急需一批在高温高压等严苛条件下仍能正常工作的关键机械部件。

如果制造不当，这些部件会发生蠕变断裂和热疲劳失效。

定向凝固技术有效控制了晶粒形状，产生了柱状微结构，其中所有晶界沿铸件的纵向延伸，这大大提高了铸件的疲劳寿命，蠕变抗力和中温塑性巴因而成为合金生产过程中的主要工艺。

然而在定向凝固合金铸件中，经常会产生一种通道偏析，在垂直定向凝固条件下又称斑点偏析。

可以观察到这些偏析为—些细长的通道，排列在铸件的重力方向上，其中会有溶质元素的大量富集，严重影响铸件的综合性能，甚至导致其直接报废。

热顶半连铸6061铝合金棒凝固过程数值模拟热顶半连铸6061铝合金棒凝固过程数值模拟随着科技的不断进步和制造业的发展，铝合金在工业界的应用越来越广泛。

其中，6061铝合金因其优良的机械性能、可焊性和耐腐蚀性而备受关注。

热顶半连铸是一种常用的生产6061铝合金棒的工艺，能够实现高效连铸和精细凝固控制。

为了更好地理解和优化该工艺，数值模拟成为研究该过程的重要手段。

热顶半连铸6061铝合金棒的凝固过程可粗略地分为液相凝固和固相凝固两个阶段。

液相凝固阶段是指铝合金在高温下的结晶过程，而固相凝固阶段则是指铝合金液相经过较低温度下的再结晶过程。

凝固过程中的温度场、相变场、结晶场以及流动场等因素互相影响，并且与合金材料的成分、含气含杂质等参数也密切相关。

数值模拟是通过借助计算机对工程问题进行数学分析和仿真模拟的一种方法，其基本原理是通过求解数学模型来获取工程问题的解决方案。

针对热顶半连铸6061铝合金棒的凝固过程，数值模拟可以帮助我们研究该过程中的各种物理现象和过程，并提供准确的数值结果。

首先，数值模拟可以模拟凝固过程中的温度场变化。

通过对铝合金棒进行热传导和热对流分析，可以得到在不同时间和位置上的温度分布。

这对于控制凝固过程中的温度梯度和温度均匀性非常重要，以确保铝合金棒的横截面质量均匀。

其次，数值模拟可以模拟凝固过程中的相变过程。

熔融态的铝合金在凝固过程中会发生相变，例如液态铝合金凝固为固态铝合金。

通过建立相变模型和相变规律，可以模拟铝合金凝固过程中相变的时间和位置，并对凝固速度和晶粒尺寸的影响进行研究。

此外，数值模拟还可以模拟凝固过程中的流动场。

液态铝合金在凝固过程中会发生流动，这对于凝固速度和组织结构的形成具有重要影响。

通过建立流动模型和流动规律，可以模拟液态铝合金在凝固过程中的流动情况，并对凝固速度和晶粒尺寸的分布进行分析。

最后，数值模拟可以分析凝固过程中的力学性能。

凝固后的铝合金棒的力学性能会受到凝固过程中温度场、相变场和晶体生长过程的影响。

热处理数值模拟分析铝合金凝固过程中组织演变规律铝合金是一种应用广泛的材料，其热处理对于改善材料性能具有重要的意义。

热处理数值模拟分析铝合金凝固过程中的组织演变规律，可以帮助我们深入了解铝合金在冷却过程中的微观组织变化，进而指导合理的热处理工艺设计。

本文将针对这一任务名称，详细讨论热处理数值模拟在铝合金凝固过程中组织演变规律研究中的应用方法、重要意义以及存在的挑战。

热处理是通过控制材料的加热和冷却过程，使其达到预期的微观组织和性能状态的过程。

在铝合金的凝固过程中，组织演变规律是研究的核心问题。

凝固过程中，铝合金液态金属会逐渐转变为固态，并在这一过程中形成不同的晶粒和相组成。

热处理数值模拟是一种有效的研究手段，借助计算机模拟软件，可以模拟和分析复杂的凝固过程和组织演变规律。

首先，热处理数值模拟方法通过对铝合金凝固过程中的温度场和相变行为进行模拟，可以获得凝固过程中的组织状态和演变规律。

模拟过程中，我们可以考虑铝合金的化学成分、凝固速度、固相变形、晶粒生长等因素，通过建立相应的数学模型和计算方法，在计算机上进行模拟运算。

通过数值模拟，我们可以获得凝固过程中的温度分布、相变历程以及晶粒尺寸、形状和分布等重要信息，为理解凝固过程中的组织演变提供了直接的依据。

其次，热处理数值模拟分析在铝合金凝固过程中的组织演变规律研究中具有重要的意义。

通过数值模拟，我们可以系统地研究影响凝固过程的关键因素，例如凝固速度、温度梯度、金属流动等。

通过这些研究，我们可以预测不同工艺参数下的凝固行为和组织形成，为合理设计热处理工艺提供依据。

此外，数值模拟还可以预测不同热处理工艺下铝合金的组织动力学演变，指导合金的热处理工艺优化，并对最终产品的性能有所改善。

然而，热处理数值模拟在铝合金凝固过程中组织演变规律的研究中面临一些挑战。

首先，涉及到的物理和化学过程非常复杂，需要构建准确的数学模型，选取适当的计算方法和边界条件。

其次，材料性质和工艺参数等参数的准确性对模拟结果影响较大，需要有可靠的实验数据作为依据。