深过冷熔体中枝晶生长动力学的实验研究与理论分析

分类号密级UDC学位论文深过冷熔体中枝晶生长动力学的实验研究与理论分析作者姓名：张宗宁东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室申请学位级别：博士学科类别：工学学科专业名称：材料加工工程论文提交日期：2012年10月论文答辩日期：2013年4月学位授予日期：2013年4月答辩委员会主席：评阅人：东北大学2012年10月ADissertationforMasterDegreeinMaterialsProcessingEngineeringExperimentalResearchandTheoreticalAnalysisofDendriteGrowthKineticsofHighlyUndercooledMeltsbyZhangZongningNortheasternUniversityJuly2012I独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年□一年□一年半□两年□作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：东北大学硕士学位论文摘要III过冷熔体中枝晶生长动力学实验研究和理论分析摘要枝晶是铸造、焊接和热处理过程中常见的一种典型的微观组织。枝晶形貌决定了金属材料的力学性能与使用性能。研究其生长动力学并有目的地控制枝晶生长是获得优良性能材料的重要保障，对枝晶生长动力进行研究有着重要的理论意义和应用价值。凝固过程中，熔体内不可避免地存在着对流作用，LKT/BCT理论模型已经不能很好地描述枝晶生长过程，需要对其进行修正以适合对流下的枝晶生长。静磁场可以有效地抑制熔体流动，从而可以通过改变磁场强度来实现不同的对流环境。因此，有必要对不同静磁场下各种物质枝晶生长动力学进行研究，为枝晶生长理论模型的修正提供可靠的实验数据。......关键词：深过冷；枝晶生长；熔融玻璃净化；静磁场；熔体对流；高速摄影东北大学硕士学位论文AbstractIVExperimentalResearchandTheoreticalAnalysisofDendriteGrowthKineticsofHighlyUndercooledMeltsAbstract东北大学硕士学位论文目录i目录独创性声明.................................................................................................................................I摘要........................................................................................................................................IIIAbstract....................................................................................................................................IV目录........................................................................................................................................i第一章绪论.......................................................................................................................-1-1.1深过冷熔体中的枝晶生长理论.............................................................................-1-1.1.1晶体形核与长大...........................................................................................-1-1.1.11晶体形核.............................................................................................-1-1.1.1.2晶体长大.............................................................................................-5-1.1.2枝晶生长的稳态理论...................................................................................-6-1.1.3自由枝晶生长理论.......................................................................................-7-1.1.3.1LGK模型.............................................................................................-7-1.1.3.2LKT模型.............................................................................................-9-1.1.3.3LKT/BCT模型..................................................................................-10-1.1.3.4溶质截留效应与尖锐界面模型(SharpInterfaceModel)..............-14-1.1.3.5无序截留效应(disordertrappingeffect).........................................-16-1.2枝晶生长的计算机模拟研究...............................................................................-18-1.2.1计算机数值模拟方法.................................................................................-19-1.2.1.1相场法（PhaseFieldMethod,PF）..............................................-20-1.2.1.2元胞自动机法（CelullarAutomataMethod,CA）......................-24-1.2.1.3蒙特卡罗法（MonteCarloMethod,MC）...................................-24-1.2.2分子动力学模拟方法（MolecularDynamicModel,MD）...................-25-1.3深过冷熔体中枝晶生长实验研究.......................................................................-26-1.3.1自由枝晶生长实验研究.............................................................................-26-1.3.2对流对凝固前沿的影响.............................................................................-31-1.3.2.1对流对热扩散的影响.......................................................................-31-1.3.2.2对流对溶质扩散的影响...................................................................-32-1.4静磁场对熔体对流的作用...................................................................................-33-东北大学硕士学位论文目录ii1.4.1熔体中存在的对流.....................................................................................-33-1.4.2静磁场抑制熔体对流.................................................................................-34-1.5选题依据和研究内容...........................................................................................-35-第二章实验材料、实验设备和实验方法.......................................................................-37-2.1实验材料...............................................................................................................-37-2.2实验设备...............................................................................................................-38-2.2.1真空非自耗电弧熔炼设备.........................................................................-38-2.2.2普通的高频电磁悬浮装置.........................................................................-39-2.2.3静磁场下的高频电磁悬浮装置.................................................................-41-2.2.4超导强磁场发生设备.................................................................................-43-2.2.