Моделирование дендритного рост при высокоскоростной кристаллизации бинарных сплавов
Численное моделирование высокоскоростной кристаллизации
Столбчатый и равноосный типы кристаллической структуры широко встречаются в процессах кристаллизации. Равноосные кристаллы обычно формируются в центральной зоне отливок, которая характеризуется малыми температурными градиентами и низкими скоростями охлаждения. Столбчатые дендриты образуются при направленной кристаллизации в условиях значительных температурных градиентов вблизи стенок изложницы. Оба типа морфологии микроструктуры характерны для сталей, поэтому математической моделирование структуробразования кристаллов выполняется при проектировании литья деталей, к которым предъявляются повышенные требования в части механических характеристик. Модель локально-неравновесного затвердевания сформулирована для описания высокоскоростного затвердевания. Между тем, моделирование кристаллического структурообразования при «медленном» затвердевании может быть успешно реализовано, поскольку уравнения модели |Галенко П.К., Кривилев М.Д. Конечно-разностная схема для моделирования кристаллического структурообразования в переохлажденных бинарных сплавах // Математическое моделирование. – 2000. – Т.12. – № 12. – С.11-23.| описывают такие процессы как частный случай, когда скорость кристаллизации много меньше скорости диффузии.
Рост равноосных дендритов в расплаве Fe-C
Рост кристалла начинается с формирования в переохлажденном расплаве малого сферического зародыша. Благодаря отклонению от термодинамически равновесного состояния зародыш начинает расти, что способствует понижению степени отклонения от равновесия. Фазовое превращение сопровождается выделением скрытой теплоты фазового перехода и перераспределением примесного элемента – углерода – около фазовой границы. Тепло- и массоперенос, лимитируемый диффузионным переносом энергии и вещества, приводит к развитию морфологической неустойчивости фазовой границы и переходу к дендритной морфологии. На основании данных расчета тепловых и концентрационных полей могут быть оценены различные характеристики структуры, как, например, размер зерен и степень микросегрегации, на различных стадиях фазового превращения |Галенко П.К., Кривилев М.Д. Изотермический рост кристаллов в переохлажденных бинарных сплавах // Математическое моделирование. – 2000. – Т.12. – №.11. – С.17-37; Кривилев М.Д., Галенко П.К. Программный комплекс для моделирования кристаллического структурообразования в переохлажденных бинарных сплавах: Уч. пособие. – Ижевск: «Удмуртский университет», 1999. – 59 с.|.
Направленный дендритный рост в переохлажденном расплаве Fe-C
При росте дендритного ансамбля компьютерное моделирование показывает новый механизм, наблюдаемый в экспериментах на прозрачных органических системах и связанный с отбором характерного пространственного масштаба между одиночными дендритными кристаллами. Взаимодействие тепловых и концентрационных полей соседних дендритов приводит к прекращению роста одних и усилению развития других кристаллов. Расстояние между наиболее быстро растущими дендритами увеличивается со временем, достигая постоянного значения, которое характеризует пространственное распределение отдельных кристаллов в дендритном ансамбле.
Кристаллическое структурообразование в тонкой ленте Ni-B, полученной спиннингованием
Формирование микроструктуры при высокоскоростной кристаллизации бинарного сплава Ni-B методом спиннингования было изучено с использованием локально-неравновесной модели |Галенко П.К., Кривилев М.Д., Ладьянов В.И., Осетров М.В. Применение модели локально неравновесного затвердевания к процессу кристаллического структурообразования при высокоскоростной закалке расплавов спиннингованием // Кристаллография. – 2001. – Т.46. – № 2. – C. 354-355. – Деп. в ВИНИТИ (№ 827–ВОО, 2000 г).|. В данном процессе расплав инжектируется на вращающийся с большой скоростью холодный медный барабан. Это приводит к мгновенному переохлаждению расплава и последующему высокоскоростному затвердеванию. Структура ленты может быть или аморфной, или кристаллической, или сочетать оба типа. Из-за наличия высокого положительного градиента внутри ленты внутренняя (контактная) сторона лента характеризуется различным типом структуры в сравнении с внешней стороной. Рисунок показывает микроструктуру, полученную в эксперименте, в сравнении с данными компьютерного моделирования. Контактная сторона ленты демонстрирует отсутствие зеренной структуры. На расстоянии, приблизительно равном толщине ленты, происходит переход от безструктурной (предположительно, аморфной или мелкокристаллической) к дендритной морфологии. Зона перехода четко фиксируется как в эксперименте, так и в расчетах. Подобный переход связан с уменьшением скорости движения фазовой границы до значений, меньших скорости абсолютной морфологической устойчивости. Скорость спиннингования в эксперименте – 120 м/с. Толщина ленты – 35 микрон.
Видеоматериал (в формате анимированного gif файла): развитие микроструктуры при кристаллизации расплава Fe-C:
