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(diǎn)導(dǎo)致目前無有效實(shí)驗(yàn)手段實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)變化，實(shí)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(jìn)的模擬技術(shù)，具有無需跟蹤固液界面的突出優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為研究微觀組織演化的熱點(diǎn)。
　　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(shí)間短、過冷度大的特點(diǎn)，同時(shí)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(kuò)散差異等影響因素，構(gòu)建適用于計(jì)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(dòng)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(shí)狀向瘦

3、長枝晶形態(tài)過渡，過冷度超過某一臨界值時(shí)，晶粒形貌成為海藻狀；同時(shí)，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(jìn)一步研究界面均勻噪聲和高斯熱噪聲兩種不同擾動(dòng)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(qiáng)而更加發(fā)達(dá)；同時(shí)高斯熱噪聲擾動(dòng)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(dá)。
　　在無噪聲和高斯熱噪擾動(dòng)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(shí)的復(fù)雜枝晶形貌；并以純鎳N6為實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行TIG平板焊接實(shí)驗(yàn)，模擬所得晶粒形貌與實(shí)驗(yàn)所得金相圖一定程度上吻合，驗(yàn)證了本文所建模型及模擬方法的合理性和可行性。