焊接熔池快速凝固过程的微观组织演化数值模拟

基于晶粒形成原理和枝晶生长动力学特点,建立了焊接熔池凝固过程中的形核、枝晶生长、溶质再分配及扩散的二维数学物理模型,对焊接熔池快速凝固过程中柱状晶向等轴晶的转变以及不同的冷却速度对这一转变过程的影响进行了模拟.结果表明,焊接熔池在快速冷却凝固过程中,溶质再分配与扩散明显;柱状晶向等轴晶转变时,熔池中心等轴晶凝固排出的溶质使柱状晶尖端浓度急剧升高,抑制了柱状晶的生长;冷却速度越大,柱状晶越容易向等轴晶转变,且转变所需时间越短.     

Ti-45Al合金焊接熔池凝固过程数值模拟

采用元胞自动机法和有限差分法建立了宏微观耦合下的焊接熔池微观组织凝固模型,对Ti-45Al合金焊后凝固过程中的枝晶生长形貌和溶质场浓度分布进行模拟,并通过试验对模拟结果进行验证. 讨论分析了焊接热输入、内部形核数和表面传热系数对枝晶生长及形貌的影响. 结果表明,熔池内的组织主要由柱状晶和等轴晶两种形态组成. 热输入的增加和传热系数的减少均有助于柱状晶的生长,而内部形核数越大则越有利于等轴晶的生长. 所建立模型的计算结果与试验结果在关于枝晶生长的定向研究中有较好吻合.     

焊接熔池凝固过程组织演变模拟

以枝晶生长动力学和晶粒生长能量最小原理为基础,建立了宏观传热与微观传质、形核、生长相耦合的焊接熔池CAMC晶粒生长二维数学模型.模型以CA方法模拟晶粒生长主干,MC在内部辅助晶粒生长以体现枝晶分枝机制,同时考虑非均匀形核对熔池结晶的影响因素,模拟了焊接熔池组织形成过程.结果表明,CAMC模型能够定量地描述熔池晶粒数目、尺寸和形貌演变,可以较准确地反映焊接熔池微观组织结构和熔池凝固过程中晶粒择优生长、柱状晶向等轴晶转换等物理机制.     

Fe-C合金焊接熔池凝固过程CET转变的数值模拟

基于元胞自动机方法建立了枝晶生长的数值模型,应用该模型模拟了Fe-C合金焊接熔池凝固期间柱状晶向等轴晶(CET)转变过程中枝晶生长形貌与溶质浓度分布状况. 模拟过程主要考虑不同扰动振幅和冷却速率对柱状晶向等轴晶转变的影响. 结果表明,随着时间步长增大,晶粒数逐渐增多,最终趋于稳定值;当冷却速率增加时,生长速度增大,枝晶生长的越充分,显微偏析越严重,而CET转变所需时间越短;当扰动振幅增大时,一次枝晶生长的越细,二次、三次枝晶竞争越激烈.     

镍基合金TIG焊接熔池及热影响区组织模拟

基于枝晶生长动力学和晶粒长大理论,采用元胞自动机法(CA)建立了焊接熔池及热影响区的微观组织演变模型.通过有限元模型计算了TIG焊接过程的温度场分布,并利用插值算法将热循环曲线应用于CA模型,计算了镍基合金TIG焊接熔池凝固过程枝晶生长及热影响区的晶粒长大.结果表明,焊缝边缘的晶核主要以柱状晶的形式向焊缝中心生长,其最终形貌取决于半熔化母材晶粒上的联生结晶及不同取向枝晶间的竞争生长,焊缝中心为等轴晶组织.焊接热影响区的晶粒长大使得熔池凝固形成的柱状晶组织粗大.模拟结果与试验结果吻合较好.     

镍基合金TIG焊接熔池及热影响区组织模拟

基于枝晶生长动力学和晶粒长大理论,采用元胞自动机法(CA)建立了焊接熔池及热影响区的微观组织演变模型. 通过有限元模型计算了TIG焊接过程的温度场分布,并利用插值算法将热循环曲线应用于CA模型,计算了镍基合金TIG焊接熔池凝固过程枝晶生长及热影响区的晶粒长大. 结果表明,焊缝边缘的晶核主要以柱状晶的形式向焊缝中心生长,其最终形貌取决于半熔化母材晶粒上的联生结晶及不同取向枝晶间的竞争生长,焊缝中心为等轴晶组织. 焊接热影响区的晶粒长大使得熔池凝固形成的柱状晶组织粗大. 模拟结果与试验结果吻合较好.     

Fe-0.04%C合金焊缝熔池凝固过程中枝晶生长及溶质浓度分布模拟

基于枝晶生长的扩散界面模型,改进元胞自动机法,并结合有限差分法,综合考虑浓度场、温度场以及熔池形状,建立Fe-0.04%C(质量分数)合金枝晶生长和溶质浓度分布模型。模拟单个等轴晶的生长形貌及枝晶尖端生长速度随时间的变化关系、多个等轴晶的生长形貌和溶质浓度分布、柱状晶的生长形貌和耦合温度场后的柱状晶-等轴晶转变过程,并与实验进行对比。结果表明:取向角对枝晶形貌有一定的影响;枝晶尖端生长速度随时间的延长最后趋于稳定;熔池形状影响柱状晶生长形貌;溶质主要富集在枝晶根部及晶界处。模拟结果与实验结果吻合较好。     

基于计算机模拟的焊缝金属组织凝固过程中枝晶生长分析

模拟焊缝凝固过程的枝晶生长,得到焊接熔池中心柱状晶和等轴晶溶质浓度分布、生长形态。熔池凝固结晶过程中,晶界偏析很大,枝晶竞争生长且相互作用。采用元胞自动机方法模拟枝晶生长可行,但仍需考虑多方面因素,并且在熔池内复杂多角度枝晶状态方面做更细致和深入的研究。     

单相合金凝固过程微观组织的三维数值模拟

基于晶粒形核和生长物理过程及热质基本传输过程，建立了单相合金凝固过程微观组织和微观偏析形成及枝晶形貌演化的三维数学模型，模型中考虑了成分过冷．曲率过冷和各向异性等重要因素．数值模拟结果表明，所建数学模型能够合理反映质点形核、晶粒生长和柱状→等轴晶转变物理过程，温度场．溶质场和微观组织形貌的模拟计算结果合理自由枝晶生长过程的模拟结果表明，各向异性强度对枝晶生长和最终组织形貌具有重要影响：强各向异性趋于得到分支发达的树型结构，内部组织为取向平行排列规则的二次枝晶臂簇；而弱各向异性趋于得到表面凹凸不平的近似正八面体结构．模拟结果还证实枝晶内部存在小的孤立熔池，这有助于揭示微观组织中出现点偏析和微观缩松的根本原因．     

冷却速率对Mg-Gd-Y-Zr合金凝固组织的影响

通过改变凝固过程中的冷却速率,研究了冷却速率对Mg-Gd-Y-Zr合金凝固组织与成分微观偏析的影响.随冷却速率提高,合金组织明显细化,初生相形貌由粗大等轴枝晶逐渐向细小树枝晶转变,合金凝固过程中形核率增加,合金晶粒尺寸逐渐减小;冷却速率的提高可以降低溶质元素的扩散速率,从而增加合金元素在枝晶干中的固溶度,减轻凝固过程中合金元素Gd与Y的微观偏析,同时使凝固过程中形成的共晶减少,共晶组织分布更加弥散、均匀.     

镍基合金焊缝凝固组织演变过程模拟和仿真

建立了一个元胞自动机与有限差分的耦合模型,并将其应用于镍基合金TIG焊熔池凝固过程的模拟.首先对焊接熔池内的各种凝固组织的生长进行了模拟,成功地模拟了平面晶、胞状晶、树枝晶、等轴晶的形态,并与试验结果进行了比照.进一步模拟熔池凝固时的凝固组织不同形态的演变过程,再现了胞状晶到树枝晶、树枝晶到等轴晶的转变过程.同时,采用溶质扩散模型模拟了扩散对溶质场分布的影响.结果表明,模拟结果与试验结果吻合良好.     

磁场和NiCl2联合作用下镁合金焊接接头的显微组织和力学性能

为了分析磁场和活性剂联合作用下镁合金焊接接头的显微组织和力学性能变化规律,采用A-TIG焊接AZ91镁合金,并在试验过程中引入纵向交流磁场,实现磁场和活性剂联合作用下镁合金的TIG焊接. 对不同活性剂涂覆量下焊接接头的成形性、物相组成、显微组织、力学性能进行检测,分析磁场和活性剂联合作用下电弧形态和熔池金属结晶形核特点,探讨其中的机理. 试验结果表明,磁场的引入对增加熔深、提高焊接效率产生负面影响,但是对提高焊接接头力学性能作用效果十分明显,在所选磁场参数下,活性剂涂覆量为3 mg/cm2时,焊接接头的成形状态和组织性能达到了最佳匹配,此时成形系数为2.38,焊缝抗拉强度和断后伸长率分别为338 MPa和13.3%;磁场和活性剂的联合作用下,电弧呈螺旋下沉旋转运动,并带动熔池运动,改变晶体结晶条件,促进细小等轴晶形成和孪晶的出现,使得焊接接头的力学性能得到提升;同时,磁场的引入可以改变晶体的生长模式,晶体沿(0001)晶面出现择优生长现象.     

压铸镁合金微观组织模拟

采用CellularAutomaton微观模型 ,对压铸镁合金的三维微观组织演变进行了模拟。在模拟过程中 ,采用连续形核模型处理液态金属的异质形核现象 ,通过正态分布函数描述形核质点密度随温度的分布关系 ,在给定过冷度时对分布函数积分可得到该时刻的形核密度 ,晶粒生长模型则考虑了枝晶尖端生长动力学和择优生长方向 <10 10 >,也考虑了温度场的影响 ,并完成了宏观温度场和微观计算的耦合。最后通过压铸镁合金标准拉伸试棒金相试验 ,对模拟结果进行了验证 ,试验结果和模拟结果在平均晶粒尺寸方面符合较好     

IN718合金增材制造温度场仿真及微观组织分析

针对微观组织的调控相关问题,构建了IN718材料激光选区熔化(selective laser melting,SLM)温度场仿真的三维有限元模型,研究了激光功率和扫描速度对熔池温度场和凝固机理的影响,进而预测增材制造材料的微观组织,为微观组织的调控提供理论依据.首先分析了激光功率和扫描速度对熔池尺寸的影响,分析了不同工...     

TC17钛合金自表面纳米化机制及组织演化

采用二元合金晶体相场模型,耦合原子密度场和浓度场,在扩散时间尺度上模拟过冷熔体的形核,生长及粗化过程.研究表明:增加冷却速率,模拟区域内晶核富集,快速长大;一定范围内,随着冷却速率增大,晶粒尺寸减小,组织细化;晶粒长大过程中,晶界主要依靠位错的迁移或攀移进行运动.二元合金模拟还可以应用到枝晶凝固、外延生长,调幅分解中,前景广阔.     

磁场参数对AZ31焊接接头组织和性能的影响

对5 mm厚的AZ31镁板进行GTAW焊接的过程中,外加纵向交流磁场.通过对接头力学性能和显微组织分析,研究磁场参数对AZ31焊接接头组织和性能的影响规律,并墩磁场作用机理进行研究.结果表明,外加纵向磁场通过旋转电弧对熔池进行搅拌,改变晶粒结晶过程,使焊缝中晶粒组织得到细化,进而使焊接接头的抗拉强度和硬度等性能得到改善,同时磁场的电磁搅拌作用可以净化熔池中液态镁合金(使杂质球化并弥散分布),促进气泡上浮,降低镁合金焊接热裂纹敏感性,抑制热裂纹产生.     

电磁搅拌对压铸镁合金组织性能的影响

对5mm厚的压铸镁合金AZ91镁板进行电弧重熔过程中,外加纵向交流磁场。通过对重熔后试件进行力学性能和显微组织分析,研究磁场参数对AZ91组织和性能的影响规律,并对磁场作用机理进行研究。试验结果表明,外加纵向磁场通过旋转电弧对熔池进行搅拌,改变晶粒结晶过程,使重熔层中晶粒组织得到细化,进而使抗拉强度和硬度等性能得到改善,同时磁场的电磁搅拌作用可以净化液态镁合金(使杂质球化并弥散分布),促进气泡上浮,降低镁合金热裂纹敏感性,抑制热裂纹产生。     

元胞自动机法模拟铝合金三维枝晶生长

以元胞自动机模型为基础,基于晶粒形核和生长的物理过程及热质传输过程,建立了铝合金凝固过程微观组织形成及枝晶形貌演化的三维元胞自动机模型.与传统的元胞自动机不同,该模型不仅考虑了温度场扩散而且考虑了固液相中的溶质扩散、曲率过冷等重要因素.枝晶尖端生长速度与局部过冷度的关系采用KGT(Kurz-Giovanola-Trivedi)模型,温度场和浓度场计算采用有限差分法.使用该模型模拟了单晶生长和多晶生长.模拟结果表明,所建立的模型能够合理反映质点形核、单晶粒生长和多晶粒生长,微观组织形貌的模拟计算结果合理.