[发明专利]一种涉及晶相反应的熔化模型及其数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种涉及晶相反应的熔化模型及其数值模拟方法，涉及二元合金熔化的数值模拟领域，包括如下步骤：步骤1：建立定温扩散模型；步骤2：在定温扩散模型的基础上建立扩散方程；步骤3：建立升温熔化模型；步骤4：若合金没有位于相变区，采用无内热源的导热方程计算合金温度；若合金位于相变区，采用内热源导热方程计算熔化过程中合金的温度和液相份额。本发明公将扩散传质和相图理论结合，提出了有效可行的涉及晶相反应的熔化模型及其模拟方法。

技术领域

本发明涉及二元合金熔化的数值模拟领域，尤其涉及一种晶相反应的熔化模型及其数值模拟方法。

背景技术

熔化过程中发生固-液相变，不同材料在熔化过程中还会发生晶相反应，晶相反应会改变材料的晶体结构进而影响其固有特性如热学性能、力学性能和化学性能，使得材料提前老化，影响实际生产的安全性和经济性。因此研究熔化过程中的晶相反应，无论是对提高材料应用中的安全性，还是开发新材料研究其性能都意义重大。

现有模拟熔化现象所用的固-液相变模型是基于焓值的，理论上熔化过程中，温度保持不变，液相份额与比焓值成线性关系。计算流程为：先根据能量方程得到焓值：

再根据下式得到温度分布和液相份额，依据液相份额确定相界面的位置：

式中，T_m是相变温度，H_s和H_L分别是是固相焓值和液相焓值，C_p,s和C_p,L分别为固相和液相的定压比热容，ε是液相份额。

现有模拟熔化现象所用的固-液相变模型中的温度和液相份额与焓值的关系式为经验公式，且没有可以模拟涉及晶相反应的熔化过程，只能用来模拟单一组分物质的熔化。

关于晶相反应现象的模拟，Mustari,A.P.A.,et al.,3D simulation ofeutectic interaction of Pb–Sn system using Moving Particle Semi-implicit(MPS)method.Annals of Nuclear Energy,2015.81:p.26-33.中介绍了定温下Pb-Sn的共晶反应现象的模拟和实验。在定温225℃下，铅块和锡块的界面处发生质量扩散，质量扩散方程为：

根据Pb-Sn相图，当锡的质量分数达到对应的液化值时，在相界面处发生共晶熔化。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种涉及晶相反应的熔化模型及其数值模拟方法，可以有效模拟带晶相反应的熔化过程。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是焓值相变模型中的温度和液相份额与焓值的经验关系式不能正确模拟熔化现象以及没有可以模拟涉及晶相反应的熔化模型。

为实现上述目的，本发明还提供了一种涉及晶相反应的熔化数值模拟方法，包括如下步骤：

步骤1：建立定温扩散模型；

步骤2：在所述定温扩散模型的基础上建立扩散方程，计算合金元素A在合金中的总质量分数w₀；

步骤3：建立升温熔化模型：根据所述合金元素A的质量分数、所述合金温度T₀和合金二元相图，判断所述合金是否进入相变区；

步骤4：若所述合金没有位于所述相变区，采用无内热源的导热方程计算合金温度T₁；若所述合金位于所述相变区，采用内热源导热方程计算熔化过程中所述合金的温度T₁和液相份额；