TA15鈦合金TIG焊熱影響區(qū)組織模擬及力學本構關系研究.pdf

1、焊接接頭性能研究主要圍繞冶金行為和力學行為兩個方面開展。冶金行為包含晶粒度和相組成，力學行為包含結構應力和組織應力(相變應變和相變塑性)。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，由于組織遺傳產生魏氏組織，在焊接應力、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(CA)

2、方法對晶粒長大、固態(tài)相變過程進行模擬，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動力的基礎上，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致的晶粒長大前后熱振動能的差異和晶粒長大的動力學特點。提出了粗網(wǎng)格劃分方法和相似原理方法，實現(xiàn)了焊接宏觀溫度到晶粒長大計算節(jié)點的直接映射，解決了溫度場計算和晶粒計算空間尺度不協(xié)調的困難。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。結果顯示，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，晶粒粗化越嚴重。
　　在母相晶粒長大計算的基礎上，建立了固態(tài)相變計算的CA計算模型。針對不同的固溶體類型，比較了幾種常見的相變驅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，動力學和晶體學試驗數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)模型化，通過界面遷移和溶質擴散的相互作用，計算了相狀態(tài)和溶質濃度演變。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)格捕捉技術模擬任意角度的新相生長，從而體現(xiàn)β-α相變的慣習關系。
　　通過一系列不同條件下的固態(tài)相變組織模擬，研究了相變分數(shù)、組織形貌、溶質場的影響因素。首先是熱力學因素，如溫度和冷卻速度，結果表明，保持晶粒度不變，改變溫度，相變動力學結果與Johnson–Mehl–Avrami(JMA)方程計算結果吻合，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。其次是動力學因素，如形核率、溶質擴散路徑、吉布斯湯姆森系數(shù)，結果表明，新相的競爭生長與形核率和曲率效應有關，溶質擴散為相變提供驅動力，直接影響析出相形貌；再其次是晶體學因素，如擇優(yōu)生長角度、各向異性模數(shù)和強度；最后是歷史相關性，即母相晶粒大小、初始溶質場和初始相組成以及固液相溶質分配系數(shù)對固溶體溶質分配的影響。結果表明，母相晶粒度和未轉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偏析

6、，是導致熔池內固態(tài)相變趨利進行的主因。
　　而后，構建了擴散/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擴散系數(shù)、界面遷移系數(shù)和相變驅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擴散控制型轉變，冷卻速度越大，臨界轉變溫度越高。
　　為了克服傳統(tǒng)的連續(xù)冷卻相變動力學 JMA方程表達和求解的困難，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、-相變分數(shù)關系為目標函數(shù)對該方程求解相變動力學參數(shù)，協(xié)調了固態(tài)相變計算域和焊接接頭空間尺度不協(xié)調的問題。通過 JMA方程的有限元二次開發(fā)，實現(xiàn)預測焊接接頭不同位置和時間的相變分數(shù)。建立了綜合熱應變、具有應變硬化特征的彈塑性應變、擴散型相變的相變應變以及切變型相變的相變塑性應變的材料力學本構方程，并通過熱-力模擬試驗，測量了鈦合金的相變應變和相變塑性的大小，最終實現(xiàn)了基于 MARC有限元軟件的固態(tài)相變動力學和力學行為的二次開發(fā)。