纯金属焊接熔池枝晶生长的相场法模拟初探

论文摘要

焊缝微观组织对焊接接头力学性能产生重大影响,但是熔池凝固特点导致目前无有效实验手段实时观测熔池中微观组织演变,因此通过数值模拟方法再现微观组织的复杂动态变化,实现焊接接头力学性能研究具有重要意义。相场法作为一种先进的模拟技术,具有无需跟踪固液界面的突出优点,目前已经成为研究微观组织演化的热点。本课题基于自由能泛函法,考虑到焊接熔池冷却速度快、凝固时间短、过冷度大的特点,同时模型中耦合界面各向异性、结构起伏和能量起伏、固液相态热扩散差异等影响因素,构建适用于计算焊接熔池中等轴晶生长的相场数学模型,并利用该模型系统地模拟不同条件下焊接熔池内等轴晶形态演变。在忽略噪声扰动的条件下,研究了空间步长取值对枝晶尖端稳态生长速率和曲率半径的影响,并与微观可解理论(MSC)的解析解对比,确定出适宜的空间步长,为0.4倍的界面厚度参数。通过对不同过冷度、各向异性系数、温度场与相场耦合系数下等轴晶生长形貌的模拟,发现如下规律:晶粒形貌随过冷度增加,由肥厚紧实状向瘦长枝晶形态过渡,过冷度超过某一临界值时,晶粒形貌成为海藻状;同时,各向异性是产生枝晶形貌的主要原因;而温度场与相场耦合系数取值越大,枝晶形貌越早出现,固相率也越高。本文进一步研究界面均匀噪声和高斯热噪声两种不同扰动对枝晶形貌影响,发现与界面均匀噪声相比,高斯热噪声作用是诱发二次枝晶产生的主要原因,二次枝晶随振幅的增强而更加发达;同时高斯热噪声扰动下,枝晶主轴生长呈现出不对称现象;随着噪声振幅、过冷度、各向异性系数、耦合系数等数值的升高,二次枝晶生长越发达。在无噪声和高斯热噪扰动两类不同情况下,曲率半径稳态值都随过冷度、各向异性系数、温度场与相场耦合系数的增加而减小,而速率稳态值则反向变化,该模拟结果与微观可结理论(MSC)相符。另外,本文成功模拟了多晶粒间竞争生长时的复杂枝晶形貌;并以纯镍N6为实验材料,进行TIG平板焊接实验,模拟所得晶粒形貌与实验所得金相图一定程度上吻合,验证了本文所建模型及模拟方法的合理性和可行性。最后,本文初步设计了焊接熔池枝晶生长模拟软件系统。包括前处理、枝晶生长计算、后处理三部分。系统可成功实现纯金属焊接熔池中等轴晶生长过程模拟。为进一步建立相场法模拟焊缝微观组织演变模拟软件平台奠定前期基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 凝固过程的特点及研究难点
• 1.2.1 一般凝固过程的特点
• 1.2.2 焊接凝固过程的特点
• 1.2.3 金属凝固过程的研究方法及难点
• 1.3 凝固过程微观组织模拟现状
• 1.3.1 当前微观组织模拟主要方法及其发展
• 1.3.2 焊接凝固过程微观组织模拟难点
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第2章 纯金属焊接熔池凝固过程二维相场模型
• 2.1 相场方法基本原理
• 2.1.1 基于熵泛函（即热力学一致性）的相场模型
• 2.1.2 基于Helmholtz 自由能函数法的相场模型
• 2.2 纯金属焊接熔池凝固过程相场模型的构建
• 2.2.1 纯金属纯扩散条件下相场模型的建立
• 2.2.2 纯金属焊接熔池枝晶生长相场模型的构建
• 2.2.3 相场模型完善与改进
• 2.3 模型无量纲化处理
• 2.4 纯金属相场模型控制参数选定
• 2.5 本章小结
• 第3章 相场模型的数值求解及后处理
• 3.1 计算方法选取
• 3.2 模型离散化处理
• 3.2.1 相场控制方程的离散
• 3.2.2 温度场控制方程的离散
• 3.2.3 差分计算精度估计
• 3.3 模型计算条件
• 3.3.1 边界条件定义
• 3.3.2 初始条件定义
• 3.3.3 计算稳定性条件
• 3.3.4 焊接熔池冷却条件分析
• 3.4 算法优化设计
• 3.5 晶粒生长过程重要数据的获得
• tip和尖端曲率半径R_tip'>3.5.1 枝晶尖端生长速率V_tip和尖端曲率半径R_tip
• s'>3.5.2 固相率P_s
• 3.6 焊接熔池枝晶生长模拟系统
• 3.7 本章小结
• 第4章 纯金属熔池枝晶生长的模拟结果与分析
• 4.1 无噪声扰动条件下枝晶连续生长行为
• 4.2 空间步长选取对计算效率及枝晶形貌和生长行为的影响
• 4.2.1 步长选取对枝晶生长形态和计算精度影响
• 4.2.2 步长选取对计算效率的影响
• 4.3 无噪声扰动下相场模型参数对枝晶生长的影响
• 4.3.1 不同过冷度下枝晶的生长行为
• 4.3.2 不同各向异性系数下枝晶的生长行为
• 4.3.3 温度场与相场的不同耦合系数对枝晶生长行为的影响
• 4.4 噪声扰动作用下枝晶生长行为的模拟
• 4.4.1 均匀分布界面噪声扰动对枝晶形貌的影响
• 4.4.2 高斯分布热噪声扰动对枝晶生长的影响
• 4.4.3 不同高斯热噪声振幅作用下枝晶的生长
• 4.5 高斯热噪声扰动下相场模型参数对枝晶生长行为的影响
• 4.5.1 不同过冷度下枝晶生长行为
• 4.5.2 不同各向异性系数下枝晶生长行为
• 4.5.3 不同耦合系数下枝晶生长行为
• 4.6 本章小结
• 第5章 多晶粒竞争生长与实验验证
• 5.1 三晶粒竞争生长的模拟
• 5.2 枝晶生长的实验验证
• 5.2.1 实验材料及方法
• 5.2.2 实验结果与分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢