Ni-Cr二元合金焊接熔池枝晶生长模拟

论文摘要

焊接构件中,焊缝的微观组织对焊接接头的性能有着重要影响。焊缝的一次组织,直接影响晶粒形态、宏观及微观偏析程度以及凝固裂纹等缺陷的形成,而这些又对焊接接头的力学性能起着决定性的作用。然而,由于焊接过程是一个不平衡过程,具有高温、瞬时性等特点,基于实验实时观察和检测焊接接头中的微观组织演变过程目前还难以实现。因此,焊缝凝固过程中微观组织演变的研究是一个重要而复杂的领域。目前焊接组织模拟研究主要集中在焊缝固态相变、焊接热影响区组织模拟等领域,并取得了可喜的研究成果。但是,关于焊缝凝固过程微观组织演变数值模拟研究多处于理论探索阶段,成熟的模拟成果目前尚未见到系统的报道。本文采用元胞自动机与有限差分相结合的技术,构建了宏观-微观耦合CA-FD（cellular automaton-finite difference）模型,对Ni-Cr二元合金焊接熔池内的枝晶生长过程进行了模拟。首先,建立了平板TIG焊接温度场模型,运用有限差分方法计算了焊接构件宏观尺度的温度场,并对该温度场计算结果进行了实验校核。其次,在选定的计算区域内,对宏观温度场进行插值从而获得微观尺度温度场。在此微观温度场的基础上,根据其与溶质扩散场、微观组织演变过程的相互作用,模拟焊接熔池内的枝晶生长过程。以枝晶尖端生长前沿溶质守恒为基础,基于枝晶尖端生长动力学理论,运用元胞自动机方法,建立了焊接熔池枝晶生长模型。为了尽可能反应焊接熔池凝固结晶过程的物理本质,在该模型建立过程中,引进了动力学过冷度,考虑了非平衡溶质分配系数随生长速度的变化,并使用了随溶质浓度变化的液相线斜率。为了模拟具有不同结晶学主轴的晶粒的生长过程,本文进一步提出了“对角线模拟角度”的方法,完善了元胞自动机中的演变法则。针对选用的GH3030近似二元合金,运用宏观-微观耦合的CA-FD模型,模拟了焊接熔池凝固结晶过程中不同区域的枝晶生长形态。模拟了其TIG焊熔池中心等轴晶和熔池边缘柱状晶的生长,并模拟了等轴晶与柱状晶竞争生长的形态。模拟结果再现了焊接熔池凝固过程中不同时刻的枝晶形态和溶质浓度分布特点,以及不同树枝晶之间的竞争生长。基于模拟结果分析了熔池结晶过程枝晶生长的特点。分析表明,针对本文的材料和焊接方法,熔池中枝晶间的竞争生长剧烈,枝晶形态复杂,晶界偏析严重;同时,晶界偏析在柱状晶和等轴晶相互作用的区域更为显著。本文进一步研究了不同焊接条件对焊缝一定范围内一次枝晶间距的影响,重点考察了焊接速度和形核条件的变化对平均一次枝晶间距的影响。模拟结果显示:对于一定的形核条件,焊接熔池边缘柱状晶的平均一次枝晶间距随焊接速度增加而变小;对于不同的形核数量,平均一次枝晶间距在一定的焊接速率下有收敛于一定值的趋势。此外,建立了焊接熔池二次枝晶间距的近似解析计算模型,通过该解析式建立了焊接工艺参数与熔池二次枝晶间距之间的关系。对于焊接熔池中相邻一次枝晶轴之间二次枝晶的生长过程,本文基于成分过冷理论对二次枝晶生长的条件进行了深入的分析。同时,进行了焊缝组织金相分析,获取了焊接熔池结晶形态金相照片,进一步测量了焊缝二次枝晶间距的最大值和最小值。将实验结果与模拟结果进行对比分析表明,模拟结果在形态上逼真,与实验结果吻合;进一步的定量分析显示,二次枝晶间距的模拟值与实验值在一定程度上吻合,验证了本文所建立模型和模拟过程的合理性和可行性。在上述研究的基础上,本文初步设计了焊接熔池枝晶生长模拟软件系统。该系统包括温度场的计算、枝晶生长计算、后处理等三部分。其中,温度场的计算用于实现部分前处理功能以及完成焊接过程宏观温度场的求解;枝晶生长计算模块实现了焊接熔池中不同区域的晶粒生长过程的模拟;后处理模块用以将计算结果以图形和曲线的形式显示给用户。该系统为进一步建立焊缝微观组织演变模拟软件平台奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及选题意义
• 1.2 焊接熔池凝固理论研究现状
• 1.2.1 形核理论
• 1.2.2 枝晶生长动力学
• 1.2.3 成分过冷理论
• 1.2.4 非平衡溶质再分配
• 1.3 焊接接头微观组织模拟研究现状
• 1.3.1 常用的材料组织模拟方法
• 1.3.2 焊接热影响区组织模拟研究现状
• 1.3.3 焊缝凝固过程微观组织模拟研究现状
• 1.4 CA方法的发展及其在材料科学中应用的现状
• 1.5 基于元胞自动机模拟焊缝微观组织演变的难点
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 基于CA-FD的焊接熔池枝晶生长模型
• 2.1 引言
• 2.2 CA算法的基本原理
• 2.3 枝晶形核与生长的微观动力学
• 2.3.1 枝晶形核
• 2.3.2 枝晶长大方式
• 2.3.3 枝晶尖端生长动力学
• 2.4 焊接熔池枝晶生长模型的建立
• 2.4.1 基于溶质守恒枝晶生长速度模型的建立
• 2.4.2 焊接熔池枝晶生长模型的建立
• 2.4.3 枝晶生长过程溶质浓度场的计算
• 2.4.4 枝晶生长模型中相关参数的计算
• 2.5 宏观-微观耦合模型的建立
• 2.5.1 传统CA算法存在的问题
• 2.5.2 对传统CA算法的修正
• 2.5.3 宏观-微观耦合模型的建立
• 2.6 本章小结
• 第3章 焊接温度场的计算与校核
• 3.1 引言
• 3.2 焊接构件
• 3.3 传热原理及热源选择
• 3.3.1 焊接构件内部传热
• 3.3.2 焊接热源选择
• 3.4 基于有限差分求解过程
• 3.5 初始条件以及边界条件的确定
• 3.5.1 绝热边界条件
• 3.5.2 对流换热边界条件
• 3.5.3 辐射换热边界条件
• 3.5.4 初始条件
• 3.6 材料物性参数
• 3.7 相变潜热处理
• 3.8 温度场计算结果与实验结果对比分析
• 3.9 本章小结
• 第4章 焊接熔池枝晶生长的模拟
• 4.1 引言
• 4.2 微观模型的边界条件和初始条件
• 4.3 熔池中心等轴晶形态模拟与分析
• 4.3.1 等轴晶生长形态的模拟
• 4.3.2 等轴晶生长过程的溶质浓度分析
• 4.4 焊接熔池柱状晶形态模拟与分析
• 4.4.1 焊接熔池凝固过程的柱状树枝晶形态的模拟
• 4.4.2 柱状树枝晶凝固过程溶质扩散场分析
• 4.5 焊接熔池内枝晶形态的选择与竞争生长
• 4.5.1 柱状晶与等轴晶竞争生长的模拟
• 4.5.2 柱状树枝晶与等轴晶竞争生长过程的溶质浓度分析
• 4.6 焊接熔池中的晶界偏析
• 4.7 本章小结
• 第5章 焊接熔池枝晶间距定量计算与分析
• 5.1 引言
• 5.2 不同焊接条件下一次枝晶间距的分析
• 5.2.1 焊接速度的影响
• 5.2.2 形核密度的影响
• 5.3 二次枝晶间距的计算
• 5.3.1 熔池冷却速率的近似处理
• 5.3.2 二次枝晶间距的计算
• 5.4 二次枝晶充分生长的条件的讨论
• 5.5 本章小结
• 第6章 实验分析与软件系统设计
• 6.1 引言
• 6.2 实验分析
• 6.2.1 实验设计
• 6.2.2 实验结果与模拟结果对比分析
• 6.2.3 二次枝晶间距的实验分析
• 6.3 焊接熔池枝晶生长模拟系统软件设计
• 6.3.1 温度场计算的实现
• 6.3.2 枝晶生长计算
• 6.3.3 后处理
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历