热加工传输原理应用

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热加工传输原理大作业

题目: 焊接接头中金属的流动及数值模拟在焊接中的应用姓名:

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哈尔滨工业大学材料科学与工程学院

焊接接头中金属的流动及数值模拟在焊接中的应用

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金属的处理过程中总是伴随着“三传现象”，即“动量传输，热量传输和质量传输”。焊接过程中,在焊接接头处热量的散发,异种原子在焊接接头的扩散,及外部能量的输入均对结晶后的焊接接头组织产生重大影响,由于组织决定性能，因此将对接头的性能产生很大影响。本篇文章以摩擦焊为例,研究接头塑性金属的流动行为，以及热传输原理中数值分析在焊接中的应用。

1、摩擦焊接头的金属流动性。

１.1 摩擦焊接

摩擦焊接作为一种优质、精密、高效、节能和环保的固相连接技术,在航空航天及一般工业领域都有着巨大的应用潜力，在轻量化、高可靠性及低成本的装备制造中具有独特的优势。在国外工业强国，惯性摩擦焊(ＩFW）已成功用于航空发动机粉末盘与轴的连接,线性摩擦焊(LFＷ)已被应用到高推重比航空发动机整体叶盘的关键制造，搅拌摩擦焊(FＳW）已用于飞机机舱等大型铝合金构件的制造。国内也将摩擦焊应用到了部分构件制造上。国内对摩擦焊的研究主要集中在对摩擦焊工艺及应用的研究。摩擦焊是一个涉及温度、力学、冶金及其相互作用的高度复杂过程，此过程中以摩擦界面处材料的塑性变形为主，界面处塑性金属流动的产生以及流动行为将会影响到热源的产生以及界面的扩散与动态回复再结晶，进而影响到焊接接头的质量。塑性金属层是否连续、完整和牢固地覆盖于摩擦界面，对能否形成无缺陷、优质的焊接接头具有重要影响。因此，研究摩擦焊接过程中塑性金属流动行为非常重要。

1.2 旋转摩擦焊接头的金属塑性流动。

国外早期有关摩擦焊的研究主要集中在旋转摩擦焊接头形成过程中塑性流动与温度场的数值研究。1973年，Dｕffｉｎ与Baｈraｎi 对低碳钢管的连续驱动摩擦焊接过程进行了实验研究与分析,将工艺

规范参数与试样的变形情况进行了相关分析。1９85年,Francis与C ｒａiｎe针对薄壁管件的连续驱动摩擦焊过程的摩擦阶段(不包括顶锻阶段)进行了分析,将变形层当做大粘性系数的牛顿流体,研究了变形层厚度、轴向缩短量与温度的关系。1９94年，Midlｉｎg与Ｇron ｇ采用实验与解析方法研究了Al-Mg－Ｓi合金与Al-SiＣ复合材料的摩擦焊接过程中的温度变化与塑性流动行为,预测了接头的应变场与温度场。1997年,Ｂendｚsaｋ等人通过解析的方法，对惯性摩擦焊接头的塑性金属流动行为进行了初步的阐述。以上文献摩擦热的处理都是以当量热流密度的形式从摩擦界面输入，模型简化过多,尽管部分计算结果与实验结果吻合，摩擦焊条件下的塑性流动行为仍然没有被很好地阐明。国内在1９８４年采用了急停技术对４５钢连续驱动摩擦焊接过程中变形层和高温区的扩展过程进行了研究。实验开展了摩擦压力和摩擦时间对变形层和高温区扩展过程规律的研究,并揭示了在摩擦加热开始时,变形层首先在距离圆心1/２～2/3半径处的摩擦表面上形成。变形层的厚度随摩擦压力的增大而增大。史弼采用解析法对摩擦焊接过程中的高温塑性变形区进行研究,定性地分析了焊接参数对塑性区宽度的影响。

１.３搅拌摩擦焊接过程的塑性流动。

在搅拌摩擦焊接过程中,工具形状、焊接参数和待焊材料直接影响焊缝金属的塑性流动,从而决定了焊核区、热机械影响区、热影响区的大小和性能。

2、焊接过程的数值模拟。

2．1 焊接影响因素

焊缝组织的形成过程复杂,受诸多因素影响,如焊缝金属及母材成分、焊接热循环过程、焊缝中夹杂物尺寸和分布、奥氏体晶粒成分和尺寸等等。通过相变热力学计算,可确定铁素体、珠光体、贝氏体等形核孕育时间以及转变开始温度;通过相变动力学计算,可确定新生相晶粒生长速度并计算最终的质量百分比。由于焊接是一个不平衡的连续冷却过程,进行热力学、动力学计算比较困难，而且组织转变

过程中的部分参量尚未有明确的物理模型和数学表达式，因此,模拟接头微观组织仍然十分困难。但随着计算机技术的发展，计算机模拟在焊接领域中已得到越来越广泛的应用。很多的科研工作者进行了大量的研究，并取得了很大的进展。其研究主要集中在以下几个方面。１．焊接热过程的数值模拟；2.焊接熔池流体流动以及焊缝形状、尺寸的数值模拟;3.焊缝金属凝固和焊接接头相变过程、组织变化的数值模拟；4.焊接应力和应变发展过程的数值模拟;5.非均匀焊接接头的力学行为的数值模拟;6.焊接结构断裂韧性、疲劳裂纹扩展、焊接热影响区氢扩散的数值模拟等。在此主要介绍焊接接头微观组织的计算机模拟方法并对其中广泛应用的蒙特卡罗法和元胞自动机法用于晶粒生长微观模拟的研究现状及发展趋势进行评述。

采用计算机模拟技术研究焊接接头微观组织及其变化对材料性能的影响是近年来焊接模拟技术研究领域中的热点和前沿课题之一。目前用于焊接接头微观组织模拟的方法主要有确定性方法和概率性方法。

2.2 确定性方法。

确定性方法是指在给定时刻,一定体积熔体内晶粒的形核密度和生长速率都是确定的函数。到目前为止确定性方法已经得到了广泛的发展。运用确定性方法建立的模型可成功预测微观组织的特征,如等轴晶的平均尺寸和柱状晶的纵向生长等。在低合金钢焊缝奥氏体晶粒尺寸计算模型，该模型从晶粒长大的基本理论出发,考虑了焊接条件下的影响因素,综合了焊缝金属合金元素对奥氏体晶粒长大的影响,建立了一个在连续冷却条件下基于碳原子扩散速率的低合金钢焊缝金属奥氏体晶粒尺寸的计算模型。对于基于夹杂物惰性界面非扩散形成的针状铁素体连续转变动力学模型,该模型可以用来研究焊缝中针状铁素体的转变特征,包括转变温度范围、转变程度以及与焊缝化学成分、工艺参数、相变温度之间的关系、相变过程中的最大可能转变趋势等。但这种方法往往忽略了与晶体学有关的各个因素,无法考察模壁邻近晶粒择优生长形成柱状晶区，因此无法预测发生在模壁附近的等轴晶向柱状晶的转变和柱状横截面尺寸的变化,也无法模拟晶粒向液相区生长和柱状晶向等轴晶的转变等。