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第八十五篇：金属凝固过程数值模拟

摘要

金属凝固过程是铸造、焊接、冶金等工业领域的核心工艺，涉及复杂的传热、传质和流动现象。本教程系统介绍金属凝固的物理机制，讨论宏观和微观凝固模型、缩孔形成预测以及数值求解方法。通过Python实现金属凝固过程的数值模拟，包括温度场计算、固相分数分布和缩孔预测。本教程涵盖凝固路径、枝晶生长、偏析形成等核心内容。通过本教程的学习，读者将掌握金属凝固过程的建模方法，能够进行铸造工艺优化和缺陷预测。

关键词

金属凝固，铸造模拟，缩孔预测，枝晶生长，偏析，凝固路径，数值模拟

1. 金属凝固基础

1.1 凝固机制

金属凝固涉及：

• 形核：过冷液体中形成固相核心
• 生长：固相核心的长大
• 微观结构：枝晶、等轴晶、柱状晶

1.2 凝固路径

二元合金的杠杆定律：