卜晓兵, 李落星, 张立强, 朱必武, 王水平

(1. 湖南大学 汽车车身先进设计与制造国家重点实验室，长沙 410082；2. 湖南大学 材料科学与工程学院，长沙 410082)

Al-Cu合金凝固微观组织的三维模拟及优化

卜晓兵1,2, 李落星1,2, 张立强2, 朱必武2, 王水平2

(1. 湖南大学 汽车车身先进设计与制造国家重点实验室，长沙 410082；2. 湖南大学 材料科学与工程学院，长沙 410082)

采用CA-FE模型，对同一铸件不同尺寸的Al-2%Cu合金凝固微观组织进行三维模拟及预测，并引入空位形成能对固相扩散系数进行了优化。结果表明，当铸件直径分别为20、40和60 mm时，柱状晶占总晶体比率分别为65.2%、52.1%和21.4%，逐渐减少，而等轴晶所占比率逐渐增加；当换热系数由500 W/(m2·K)增大到5 000 W/(m2·K)时，同一铸件中不同直径的铸件凝固组织中柱状晶组织比例显著增大。模拟结果与实验结果吻合较好，能够较为准确地反映等轴晶和柱状晶的分布位置、比例和大小。

Al-Cu合金；3D元胞自动机；固相，扩散系数；凝固组织

铸件中的细小晶粒能够提高材料的强度与韧性，因而预测微观组织形成是控制晶粒尺寸、形貌和铸件产品质量的重要前提。自OLDFIELD等对微观组织模拟开展研究以来，微观组织数值模拟的研究经历了由定性模拟到定量模拟，再由单纯金属凝固组织模拟到多元合金凝固组织模拟的历程，并形成了不同模拟方法：确定性模拟、随机性模拟、相场法等[1-4]。

元胞自动机法是一种随机性模拟，该方法以形核过程的物理机制和晶体生长动力学理论为基础，可以得到晶粒的尺寸、大小及分布，也可以描述柱状晶、等轴晶的形成及柱状晶向等轴晶的转变过程。……