純金屬焊接熔池枝晶生長的相場法模擬初探.pdf

1、焊縫微觀組織對焊接接頭力學(xué)性能產(chǎn)生重大影響，但是熔池凝固特點導(dǎo)致目前無有效實驗手段實時觀測熔池中微觀組織演變，因此通過數(shù)值模擬方法再現(xiàn)微觀組織的復(fù)雜動態(tài)變化，實現(xiàn)焊接接頭力學(xué)性能研究具有重要意義。相場法作為一種先進的模擬技術(shù)，具有無需跟蹤固液界面的突出優(yōu)點，目前已經(jīng)成為研究微觀組織演化的熱點。
　　本課題基于自由能泛函法，考慮到焊接熔池冷卻速度快、凝固時間短、過冷度大的特點，同時模型中耦合界面各向異性、結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏、固液相態(tài)

2、熱擴散差異等影響因素，構(gòu)建適用于計算焊接熔池中等軸晶生長的相場數(shù)學(xué)模型，并利用該模型系統(tǒng)地模擬不同條件下焊接熔池內(nèi)等軸晶形態(tài)演變。
　　在忽略噪聲擾動的條件下，研究了空間步長取值對枝晶尖端穩(wěn)態(tài)生長速率和曲率半徑的影響，并與微觀可解理論(MSC)的解析解對比，確定出適宜的空間步長，為0.4倍的界面厚度參數(shù)。通過對不同過冷度、各向異性系數(shù)、溫度場與相場耦合系數(shù)下等軸晶生長形貌的模擬，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：晶粒形貌隨過冷度增加，由肥厚緊實狀向瘦

3、長枝晶形態(tài)過渡，過冷度超過某一臨界值時，晶粒形貌成為海藻狀；同時，各向異性是產(chǎn)生枝晶形貌的主要原因；而溫度場與相場耦合系數(shù)取值越大，枝晶形貌越早出現(xiàn)，固相率也越高。
　　本文進一步研究界面均勻噪聲和高斯熱噪聲兩種不同擾動對枝晶形貌影響，發(fā)現(xiàn)與界面均勻噪聲相比，高斯熱噪聲作用是誘發(fā)二次枝晶產(chǎn)生的主要原因，二次枝晶隨振幅的增強而更加發(fā)達；同時高斯熱噪聲擾動下，枝晶主軸生長呈現(xiàn)出不對稱現(xiàn)象；隨著噪聲振幅、過冷度、各向異性系數(shù)、耦合系數(shù)等

4、數(shù)值的升高，二次枝晶生長越發(fā)達。
　　在無噪聲和高斯熱噪擾動兩類不同情況下，曲率半徑穩(wěn)態(tài)值都隨過冷度、各向異性系數(shù)、溫度場與相場耦合系數(shù)的增加而減小，而速率穩(wěn)態(tài)值則反向變化，該模擬結(jié)果與微觀可結(jié)理論(MSC)相符。
　　另外，本文成功模擬了多晶粒間競爭生長時的復(fù)雜枝晶形貌；并以純鎳N6為實驗材料，進行TIG平板焊接實驗，模擬所得晶粒形貌與實驗所得金相圖一定程度上吻合，驗證了本文所建模型及模擬方法的合理性和可行性。