強流脈沖電子束材料表面改性的二維數(shù)值模擬.pdf

1、本學位論文主要以純Al材料為實驗基礎，研究強流脈沖電子束材料表面改性過程的機制和二維溫度場的數(shù)值模擬。首先，我們采用瞬態(tài)的熱-力學方程對強流脈沖電子束表面改性的動態(tài)過程給予了合理的物理描述，包括快速變化的溫度場、隨溫度場耦合變化的熱彈性應力波、準靜態(tài)熱應力等。建立了樣品的二維溫度場和彈性范圍內(nèi)的熱應力場的數(shù)學物理模型，利用顯式有限中心差分法求解溫度場及熱應力場，并對其溫度場進行數(shù)值模擬，經(jīng)過反復模擬，得到了不同時刻的溫度場隨著材料表層的

2、徑向和軸向變化的相關分布。 在溫度場數(shù)值模擬計算中，提出圓柱形樣品的內(nèi)熱源處理方法，首先通過實測數(shù)據(jù)擬合了脈沖半高寬為0.8μs、電子束能量密度為3～4.5J/cm2、加速電壓為28KV的脈沖加速電壓和脈沖電子束功率的函數(shù)，并考慮了伴隨相變的熱傳導系數(shù)及比熱容等物理參數(shù)隨溫度的變化。在材料熔化過程中，采用溫度補償法處理潛熱的吸收和釋放。使用顯式差分法模擬溫度場，需要滿足一定的穩(wěn)定性條件。根據(jù)溫度場的模擬結果，給出了最先熔化時刻0

3、.58μs、熔化深度大約為1.9μm等有關參數(shù)，揭示了電子束作用范圍及材料徑向和軸向的傳熱的變化情況。 我們還給出了電子束轟擊樣品的實驗結果，熔化層厚度為1.4μm左右，可以知道，數(shù)值模擬結果與試驗結果基本吻合。實驗結果和數(shù)值模擬結果相結合，解釋了材料表層徑向溫度的分布特點。 假定材料沒有熔化，即在作用時間內(nèi)，材料只發(fā)生彈性變形不涉及熔化后的塑性變形，根據(jù)簡化的熱應力場數(shù)學物理模型，我們研究了在彈性限度內(nèi)熱應力波的色散關