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文檔簡介
1、焊接接頭性能研究主要圍繞冶金行為和力學(xué)行為兩個方面開展。冶金行為包含晶粒度和相組成,力學(xué)行為包含結(jié)構(gòu)應(yīng)力和組織應(yīng)力(相變應(yīng)變和相變塑性)。鈦合金焊接過程中,熱輸入較大時熱影響區(qū)晶粒極易粗化,在連續(xù)冷卻過程中,由于組織遺傳產(chǎn)生魏氏組織,在焊接應(yīng)力、氫、脆性組織三者耦合作用下,接頭容易形成冷裂紋。因此,以固態(tài)相變組織模擬為主線,開展焊接過程微觀組織演變和宏觀應(yīng)力變形的數(shù)值模擬研究具有重要的理論意義。
本文首先采用元胞自動機(jī)(CA)
2、方法對晶粒長大、固態(tài)相變過程進(jìn)行模擬,揭示目前在焊接冶金理論中尚無共識的組織演變的物理規(guī)律。首先修正了晶粒長大的CA模型,在以晶界能作為晶粒長大驅(qū)動力的基礎(chǔ)上,考慮原子的熱振動能和跳躍激活能,反映因焊接接頭溫度梯度導(dǎo)致的晶粒長大前后熱振動能的差異和晶粒長大的動力學(xué)特點(diǎn)。提出了粗網(wǎng)格劃分方法和相似原理方法,實(shí)現(xiàn)了焊接宏觀溫度到晶粒長大計(jì)算節(jié)點(diǎn)的直接映射,解決了溫度場計(jì)算和晶粒計(jì)算空間尺度不協(xié)調(diào)的困難。研究了鈦合金焊接熱影響區(qū)晶粒在一定工藝
3、條件下急劇粗化的影響因素和特點(diǎn)。結(jié)果顯示,熱輸入越高,溫度越高,溫度梯度越小,晶粒長大界面遷移越快而熱釘扎作用越弱,晶粒粗化越嚴(yán)重。
在母相晶粒長大計(jì)算的基礎(chǔ)上,建立了固態(tài)相變計(jì)算的CA計(jì)算模型。針對不同的固溶體類型,比較了幾種常見的相變驅(qū)動力模型并提出了其適用范圍;將等溫相變和連續(xù)冷卻相變熱力學(xué),動力學(xué)和晶體學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)模型化,通過界面遷移和溶質(zhì)擴(kuò)散的相互作用,計(jì)算了相狀態(tài)和溶質(zhì)濃度演變。為了消除 CA法捕捉網(wǎng)格對x
4、,y軸和45°方向的依賴性,采用類似連續(xù)性界面的虛擬網(wǎng)格捕捉技術(shù)模擬任意角度的新相生長,從而體現(xiàn)β-α相變的慣習(xí)關(guān)系。
通過一系列不同條件下的固態(tài)相變組織模擬,研究了相變分?jǐn)?shù)、組織形貌、溶質(zhì)場的影響因素。首先是熱力學(xué)因素,如溫度和冷卻速度,結(jié)果表明,保持晶粒度不變,改變溫度,相變動力學(xué)結(jié)果與Johnson–Mehl–Avrami(JMA)方程計(jì)算結(jié)果吻合,析出相的寬度隨溫度升高而增大,與Mullins-Sekerka(M-S)
5、界面失穩(wěn)理論一致。其次是動力學(xué)因素,如形核率、溶質(zhì)擴(kuò)散路徑、吉布斯湯姆森系數(shù),結(jié)果表明,新相的競爭生長與形核率和曲率效應(yīng)有關(guān),溶質(zhì)擴(kuò)散為相變提供驅(qū)動力,直接影響析出相形貌;再其次是晶體學(xué)因素,如擇優(yōu)生長角度、各向異性模數(shù)和強(qiáng)度;最后是歷史相關(guān)性,即母相晶粒大小、初始溶質(zhì)場和初始相組成以及固液相溶質(zhì)分配系數(shù)對固溶體溶質(zhì)分配的影響。結(jié)果表明,母相晶粒度和未轉(zhuǎn)變之前的相組成通過改變形核和長大的空間位置影響后續(xù)的固態(tài)相變,凝固過程的微觀溶質(zhì)偏析
6、,是導(dǎo)致熔池內(nèi)固態(tài)相變趨利進(jìn)行的主因。
而后,構(gòu)建了擴(kuò)散/界面/混合控制型相變的定量劃分模型,通過解析模型說明了溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)、界面遷移系數(shù)和相變驅(qū)動力對相變類型的影響規(guī)律。通過對連續(xù)冷卻固態(tài)相變的CA模擬,揭示了連續(xù)冷卻相變從高溫界面控制型到低溫?cái)U(kuò)散控制型轉(zhuǎn)變,冷卻速度越大,臨界轉(zhuǎn)變溫度越高。
為了克服傳統(tǒng)的連續(xù)冷卻相變動力學(xué) JMA方程表達(dá)和求解的困難,對該方程做了顯式化處理,以固態(tài)相變CA模擬獲得的冷卻速度-溫度
7、-相變分?jǐn)?shù)關(guān)系為目標(biāo)函數(shù)對該方程求解相變動力學(xué)參數(shù),協(xié)調(diào)了固態(tài)相變計(jì)算域和焊接接頭空間尺度不協(xié)調(diào)的問題。通過 JMA方程的有限元二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)預(yù)測焊接接頭不同位置和時間的相變分?jǐn)?shù)。建立了綜合熱應(yīng)變、具有應(yīng)變硬化特征的彈塑性應(yīng)變、擴(kuò)散型相變的相變應(yīng)變以及切變型相變的相變塑性應(yīng)變的材料力學(xué)本構(gòu)方程,并通過熱-力模擬試驗(yàn),測量了鈦合金的相變應(yīng)變和相變塑性的大小,最終實(shí)現(xiàn)了基于 MARC有限元軟件的固態(tài)相變動力學(xué)和力學(xué)行為的二次開發(fā)。
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