二元合金凝固微观偏析研究：Al-Cu与Fe-C的数值模拟与验证

"合金凝固传热传质宏微观耦合数值研究及验证 (2006年)" 本文详细探讨了二元合金凝固过程中的传热传质现象，特别是从宏微观两个尺度上的耦合模拟。研究者建立了一个数学模型，用于描述二元合金在凝固时形成的平面枝晶一维微观偏析。模型考虑了溶质在固相内的有限扩散以及液相中的完全扩散，这是理解合金凝固过程中微观结构形成的关键因素。 对于Al-Cu和Fe-C这两种合金，研究人员通过数值模拟分析了它们的微观偏析特性。结果显示，Al-Cu合金的微观偏析表现与Fe-C合金有所不同，后者更接近于平衡凝固条件。这表明不同合金成分和结构对凝固过程的影响显著，对理解和控制合金性能具有重要意义。 为了进一步深入理解凝固过程，微观数值模型被与宏观凝固实验的传热传质模型相结合，实现了宏微观复合尺度的全数值模拟。这种耦合方法允许研究人员更全面地模拟合金从微观结构到宏观形貌的演变，从而精确预测和解释实验结果。 数值计算的结果与实验数据匹配度高，证实了所提出的微观模型能够准确捕捉微观质量传输，并可靠地与宏观相变传热传质模型耦合。这一验证对于提高合金制造过程的预测精度和优化合金性能具有直接的应用价值。 文章还讨论了现有的微观偏析模型，如杠杆定律模型和谢尔方程，指出这些模型在处理溶质扩散问题上的局限性和适用范围。数值计算方法的优势在于可以处理更为复杂的扩散情况，为研究非平衡凝固过程提供有力工具。 这项研究为合金凝固领域的多尺度模拟提供了新的理论依据和技术手段，有助于提升合金设计和制备的科学性，对工程技术领域尤其是材料科学与工程具有深远影响。通过这种宏微观耦合的数值研究，未来可以更好地预测和控制合金的微观结构，从而优化其力学性能和耐蚀性等关键属性。