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利用相场方法这一目前最为有效的凝固微观组织数值模拟技术,考虑界面各向异性和噪声,推导了纯金属枝晶生长纯扩散相场模型和耦合对流效应模型,使用有限差分法对纯扩散相场模型进行算法研究;采用Visual Fortran 6.0编程语言编制了相场法数值模拟应用程序;并利用Array Visualizer软件实现了模拟结果的可视化;成功模拟了过冷纯金属熔体的枝晶生长过程。 具体分析了界面厚度、空间步长取值范围;定量研究了过冷度、各向异性系数、温度场与相场耦合系数对晶粒形貌形成的影响;结果表明,为了得到比较合理准确的模拟结果,界面厚度取值应与过冷度、各向异性系数相关,在满足尖端生长速度稳定的条件下界面厚度取值应尽可能小;空间步长由尖端生长速度和曲率半径的收敛情况来判断,最终选择在不考虑噪声项时取0.4W0,耦合噪声时取0.8W0;随着过冷度的增大,界面逐渐变得不稳定,晶粒形貌由肥大紧实枝晶状→瘦长枝晶状→海藻状变化;各向异性是枝晶状形貌产生的主要原因,较合适的各向异性系数取值为0.02～0.05;耦合系数选取应由材料的热物性参数决定。 在合理选择以上关键参数的基础上,成功模拟了耦合噪声时的枝晶形貌。模拟结果表明:热噪声可以引发侧向分枝,当幅值较小时,不影响枝晶尖端稳态行为,幅值较大时,尖端的稳态行为会受到影响;而界面扰动强度不影响尖端稳态行为。 计算了不同模拟条件下的枝晶尖端生长速度和曲率半径,对其尖端稳态行为进行测定,研究结果与微观可解性理论,Ivantsov理论和临界稳定性理论等经典枝晶生长理论相一致;并以镍为例计算了不同过冷度下枝晶尖端生长速度,与实验值吻合的很好,验证了该模拟的有效性。为相场法准确模拟过冷纯金属熔体的枝晶生长提供了依据。