中文摘要：

凝固过程中的微观组织演变对宏观偏析形成具有重要影响，因此需要发展能够同时预测宏观偏析和晶粒结构的模型。本项目基于cellular automaton模拟技术，构建宏-微观全耦合模型及相应算法，对凝固过程中宏观尺度上的流场/温度场/浓度场和微观尺度上的晶粒形核/长大/球形等轴晶向枝形等轴晶转变(GDT)/等轴晶沉淀进行时间和空间上的定量形象描述。通过实验和模拟研究，阐明合金凝固过程中的三传现象和微观组织演变之间的相互作用机制，更深层次地揭示GDT转变和等轴晶沉淀在宏观偏析形成中所扮演的重要角色，加深和正确认识微观组织演变影响宏观偏析形成的机理，提高对复杂的实际凝固过程的定量预测能力。本项目基础研究成果对于控制宏观偏析形成和优化凝固组织具有重要意义。

结论摘要：

凝固过程中微观组织演变和宏观偏析形成对铸件综合力学性能具有重要影响，因此需要发展能够同时预测宏观偏析和晶粒结构的模型。本项目基于cellular automaton(CA)技术，构建宏-微观耦合模型及相应算法，对凝固过程中宏观尺度上的流场/温度场/浓度场和微观尺度上的晶粒形核/长大进行描述。为了验证所开发模型的准确性，首先设计镁合金单侧冷却凝固实验。分析凝固试样中截面处的冷却曲线、组织分布和成分分布(宏观偏析)特点。开发固液两相流模型。通过实测和计算所得冷却曲线的对比确定金属液与铸型之间的界面换热系数。模拟所得宏观偏析分布特征与实测进行对比，可以发现当不考虑固相移动时，尽管模拟可以再现铸件底部正偏析，但偏析程度要远远小于实测值。考虑固相移动时，还可以再现激冷层附近的正偏析。本课题研究表明，激冷层附近正偏析产生原因是凝固初期球形等轴晶的移动，等轴晶移动留下的轨迹是溶质富集区。 为了验证基于有限元(FE)宏观三传计算的组织模拟CAFE模型，分别设计了无液体流动的Al-7wt%Si合金微重力定向凝固实验和存在液体流动的X射线辐射实时观察Al-3.5wt%Ni合金定向凝固实验。在分析Al-7wt%Si合金微重力实验结果时，为了获得定量晶粒尺寸信息，对EBSD测量结果进行后处理，从而可以单独提取所测试截面上任何一个晶粒的等效直径和延长因子。模拟结果与实验测量对比可知，对于快速抽拉的凝固试样(速度200 μm s-1)，模拟所得晶粒尺寸和延长因子分布与实测定量吻合；对于慢速抽拉的凝固试样(速度10 μm s-1)，模拟所得晶粒尺寸和延长因子分布与实测只能进行定性比较。本课题目前采用的网格尺寸(FE网格300 μm, CA网格40 μm)无法定量再现晶间偏析程度。晶间偏析分布受FE网格尺寸影响很大，降低FE网格尺寸接近二次枝晶臂间距，可以更真实再现晶间偏析。 针对Al-3.5wt%Ni合金定向凝固实验进行CAFE模拟研究。模拟所得晶粒组织分布特征与实测进行对比，可以看到模拟可以定性再现柱状晶向等轴晶转变、晶粒等效直径分布、晶粒延长因子分布以及坩埚内壁附近共晶层的形成。进行定量对比存在的困难是将三维液体流动简化为二维会过高计算液体流动速度，因此模拟所得共晶层尺寸高于实测；由于模型中没有直接计算共晶组织的形成，计算所得晶粒尺寸和延长因子均高于实测。