《強迫流動對於球晶界面微結構形態的影響》是依託北京科技大學，由陳明文擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：強迫流動對於球晶界面微結構形態的影響
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：陳明文
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目建立在強迫對流的過冷熔體中流場、溫度場和濃度場的球晶生長界面微結構形態模型.它在形式上是一個非線性偏微分方程自由邊值問題,處於移動狀態的球晶界面是問題解的一部分.研究內容包括：分別對純熔體和合金熔體的情形，根據在界面附近存在流場、溫度和濃度邊界層的特性，適當選擇多尺度變數,以物理參數的實際取值進行量級分析,用奇異攝動法求問題在整個熔體區域一致有效的近似解析解(漸近解),即獲得在強迫流動作用下球晶界面溫度、濃度、界面半徑的演化形態；用微分方程穩定性理論獲得球晶界面穩定性判據,確定在強迫流動作用下球晶界面臨界半徑和界面臨界生長速度與流動、過冷之間的數學解析式；與實驗數據比較, 驗證理論分析結果的正確性，揭示流動對球晶界面微結構斑圖形態形成的物理機制..界面微結構形態是材料科學領域的核心課題，其理論突破是提高材料性能的有效途徑，對實現界面微結構形態精確控制具有重要的理論和實際意義.
結題摘要
本項目建立了在強迫對流過冷熔體中流場、溫度場和濃度場的球晶界面微結構形態模型, 它是一個非線性偏微分方程奇異攝動自由邊值問題, 處於移動狀態的球晶界面是問題解的一部分。根據在界面附近邊界層特性選擇多尺度變數,用奇異攝動法和穩定性理論獲得問題一致有效的近似解析解和球晶界面穩定性判據,研究了在金屬凝固過程中在強迫流動作用下球晶生長界面的演化、流場、溫度和濃度的分布、界面的演化形態以及臨界半徑和界面生長速度與流動、過冷之間的數學解析式, 發現並確定了球晶界面生長的‘熔化深度’公式, 並與實驗數據比較, 驗證理論分析結果的正確性。非線性動量方程一般求不出精確解析解, 單一尺度的方法只能得到局部的解析解, 人們轉向數值模擬方法研究凝固過程中界面微結構形態問題, 而由於界面始終處於移動狀態造成了界面結點和下層格線的幾何複雜性, 需要人為地把移動邊值問題當成固定邊值問題處理，因而利用數值模擬方法難以產生可靠的信息。本項目在國內率先利用解析理論方法進行球晶界面微結構形態的研究並獲得理論突破, 在不添加人為條件的前提下利用多尺度方法獲得了數學結構清晰的近似解析解的表達式, 並用實際的金屬凝固物理參數預測了在金屬凝固過程中球晶生長界面的演化、生長速度以及球晶界面的演化形態, 從本質上揭示了在金屬凝固過程中流體流動對於晶體生長界面微結構形態的形成和晶粒細化的機理。迄今為止, 描述晶核從納米尺度到亞微米尺度的生長至今沒有成熟的理論, 納米尺度到亞微米尺度的球晶顆粒是否有界面存在著爭議。按照本項目提出的數學模型和分析方法我們推導出在材料科學教科書中公認的臨界成核半徑公式, 球晶從形核之後的晶核開始進一步生長。我們得到了比表面公式,還用實際的金屬凝固物理參數對於納米量級的球晶顆粒進行了分析計算, 結果表明在各向異性表面張力作用下納米量級的球晶顆粒的比表面(面積/體積)有了顯著的增加。因此, 在本項目研究的基礎上有望發展研究納米量級的球晶生長微結構形態的數學模型和解析分析理論, 進一步揭示納米顆粒在液態金屬中的生長和形成機制。
