金属凝固过程中热动力学相场模型——枝晶过冷生长速度模型的推导

相场方程用于模拟枝晶生长,已有近20年的历史。现有的相场方程是直接通过Ginzburg-Landau方程导出的,虽然得到了广泛应用,但方程中各个变量物理意义并没有搞清,国内外研究者甚至都作了许多错误的解读。本文以固相率作为相场变量,在金属凝固热动力学基础理论上,给出了纯金属凝固过程中枝晶过冷生长速度模型及其推导过程。

枝晶生长理论中的热-动力学协同

随加工工艺趋于复杂化和极端化,基于热力学驱动力和动力学能垒相对独立的枝晶生长理论已无法精确描述多种机制共同作用的非平衡凝固过程,大大限制了该理论与工业应用的结合。首先,本文综述基于热-动力学相对独立的枝晶生长理论的发展,分析其内涵的本征热-动力学相关性,并集成于以双辊薄带连铸技术为背景的基于热-动力学相关性的枝晶生长模型。其次,定量证明了热力学驱动力和动力学能垒的相关性,通过选择不同的驱动力-能垒组合,试图在双辊薄带连铸技术中实现合金设计和工艺优化。最后,通过分析现有模型的不足,对进一步枝晶生长模型的发展以及与工艺的结合进行展望。