铸件凝固过程微观组织模拟技术的研究
摘要 揭示了国内外对微观组织模拟研究的进展，将确定性模型和随机性模型相结合,建立晶粒形核和生长的物理、数学模型。并通过计算机初步模拟出微观组织形态，并能预测铸件的力学性能。结果表明微观模拟的发展前景广阔，但有待于在理论和实践中进一步完善。
关键词 微观组织；凝固模拟；形核生长模型；力学性能
在结晶过程中，铸件凝固微观组织对铸件的力学性能有着重要的影响。计算机的发展使精确模拟微观组织的形成成为可能。铸件凝固过程的微观组织模拟，是指在晶粒尺度上对铸件凝固过程进行模拟。铸件凝固过程微观组织的控制是铸造工作者长期致力研究的课题。过去的组织优化研究是对在不同条件下制备的试样进行金相检验，以得到其组织形成的规律，这样既浪费大量的人力、物力和财力，又有一定的盲目性。而铸件凝固过程的微观模拟可降低工作量，通过少量实验即可达到预测铸件凝固组织和预测其力学性能，并可获得主要的工艺参数与铸件凝固组织的定量关系，为改善铸件凝固组织提供可靠依据。
1 铸件凝固过程微观模拟的研究进展
国外在微观组织数值模拟方面的研究最早开始于1966年，Oldfield[1]首次提出了在铸件凝固过程观模拟的基础上，将传热方程中的热源项表示为形核率和生长速率的函数。随着计算机技术的发展，使得铸件凝固过程的微观模拟愈来愈受到人们重视。人们已经提出了很多方法来预测共晶合金和枝晶合金的形核和长大过程。国内研究起步较晚，沈阳铸造研究所、大连理工大学、西安交通大学、清华大学等单位都已对铸件凝固微观组织开展了数值模拟技术的研究，并取得了比较可喜的成果。
从理论上分析，最初的形核和长大模型大都采用确定模型。如Hunt[2]的瞬时形核模型，Oldfield提出的连续形核模型等。夏威夷大学的Wang和爱荷华大学的Beckermann采用体积元平均技术，建立了Multiscale/Multiphase等轴枝晶生长模型[3~9]，为建立晶粒生长确定模型提供了崭新的思路。80年代晶粒概率型模型逐渐兴起，如英国Swansea大学的Brown和Spittle[10,11]，以及加拿大皇后大学的Zhu和Smith[12,13]等人采用了Monte- Carlo法。进入90年代，瑞士联邦洛桑理工学院Rappaz和Candia[14,15]综合确定模型和概率模型提出了单元自动控制(Cellular Automattion) (CA)模型。之后，Candin和Rappaz又结合宏观有限元（FE）热流计算和微观单元自动控制（CA）晶粒生长模型，提出了FE-CA耦合算法模型[16]，开创了宏观模拟与微观模拟相结合计算的先河。其实微观组织形成过程是一个比较复杂的动态过程，铸件凝固过程既包括宏观的传热、传质过程，也有微观的晶粒形核、生长过程。因此微观组织模拟主要包括温度场模拟、浓度场模拟和晶粒形核、生长的微观模拟。
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