热加工传输原理应用————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:ﻩ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:班级：学号:日期：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姓名: 班级: 学号: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。

2.3 概率性方法。

人们基于“概率性”思想提出的随机性模拟方法,即蒙特卡罗MC(Monte Ｃarlo)方法和元胞自动机CA(Celluｌａr Automaｔa)法避免了上述问题。

MC方法在微观组织模拟时，以界面能最小为原理，以概率统计理论为基础,以随机抽样为手段对晶粒生长过程进行模拟。

MC法没有分子动力学中的迭代问题，也没有数值不稳定的情况,收敛性可以得到保证，MC法的收敛速度与问题的维数无关，这是它的优点,且其误差容易确定。

另外，MC法的计算量没有分子动力学那样大，所需机时少。

ＣＡ法最早是由VoｎＮeumann和Ulam作为生物机体的一种可能的理想模型而提出的,随后它们被逐渐引入到数学、物理和材料科学等更加广泛的领域,比如计算机理论、湍流和组织形成模拟研究等。

CA法是物理体系的一种理想化，是一类离散模型的统称，或者可以说是一种建立模型的基本思想和方法。

元胞自动机在刚刚提出到2０世纪6０、70年代并未引起足够的重视，其发展较为零散和缓慢,也没有形成系统的描述,直到198５年，随着计算机科学的发展,尤其是S.Ｗｏlfram对它的理论及应用进行了深入研究,较为系统地给出了元胞自动机的一些数学理论基础以及统计描述，人们才逐渐地意识到元胞自动机的价值,从而激发了人们对它的研究兴趣。

而元胞自动机在材料科学中的应用也是近几十年才发展起来的。

另外，近年来一种新的模拟方法,即相场法也逐渐成为人们的研究热点。

相场法是一种计算技术，可以使研究者在枝晶尺度上真实地模拟微观组织的形成,通过引入新变量——相场φ而得名。

相场是一个序参量,表示系统在时间和空间上的物理状态(液态或固态)。

相场对系统中的相具有恒定的值，可以定义相场φ的一个确定的值表示系统中的相的状态,例如φ＝0代表固相区，φ=１代表液相区,在固液界面上φ的值在0～1之间连续变化，相场理论是建立在统计学基础上的,以Ｇinzburg Lanｄａu相变理论为基础,通过微分方程反映扩散、有序化势以及热力学驱动力的综合作用。

相场方程的解可以描述金属系统的固液界面的形态、曲率以及界面的移动。

相场参数的求解还需耦合外部温度场、溶质场、流速场等,此外,若使用显式查分格式，界面厚度与网格步长还需满足一定条件。

2.4 基于蒙特卡罗(MＣ)法的晶粒生长模型。

MC法的基本原理及思想:当所要求解的问题是某种事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时,它们可以通过某种“试验”的方法，得到这种事件出现的频率,或者这个随机变数的平均值,并用它们作为问题的解。

ＭＣ方法通过抓住事物运动的几何数量和几何特征,利用数学方法来加以模拟,即进行一种数字模拟试验。

它是以一个概率模型为基础，按照这个模型所描绘的过程,将模拟试验的结果作为问题的近似解。

MC模拟晶粒长大常用的几种模型2．4．1 初始的MC模型1９83年,Anderson首次提出一个新型的MC程序,将其应用于二维的晶粒长大动力学模拟。

将微观结构映射到一个离散的网格上,每一个网格赋给一个从１到Ｑ的值,表明该点的晶粒取向。

晶粒的原始分布取向是随机选取的,与晶体学取向不相同，系统进化减少了最近邻格点的对偶。

微观结构的暂时进化遵从晶粒尺寸和形状对时间的依赖性，微观结构的产生与肥皂泡试验相一致，然后根据晶粒生长的动力学方程进行模拟。

2．4.2 晶界迁移模型GBM(grain ｂouｎdａry ｍigrａtｉｏn modeｌ)在实际晶粒长大和再结晶过程中，晶界的迁移是极其复杂的，没有一定的规律可循,在模拟中采用的是晶界迁移各向同性,即不考虑其他因素的影响,只考虑能量在晶界迁移中的作用。

2．４.３基于试验数据的模型ＥDB(eｘpeｒimｅnｔed da ｔa based modｅｌ）基于试验数据的模型就是将MC模拟与晶粒生长动力学试验结合起来，通过对焊接热影响区的焊接热循环进行有限元分析,将其与晶粒生长模型结合起来,得出一个准确的一一对应的模拟时间与真实时间的关系。

在目前的研究中，微观晶粒生长的模拟多是采用GＢM模型和EＤB模型进行的。

2.5 ＭＣ法模拟焊接接头组织晶粒长大的研究进展随着科学技术的发展和电子计算机的发明，20世纪４０年代,ＭＣ法作为一种独立的方法被提出来,并且首先在核武器的研制、粒子传输等领域中得到了应用。

美国EXＸOＮ研究组在80年代初开发了二维算法后，很快引起广大学者的重视并进一步应用于再结晶、多晶材料的晶粒长大、有序—无序畴转变等多种金属学和物理学仿真过程。

１983年,Andersｏｎ提出一个新型的MＣ程序，将其应用于二维的晶粒长大动力学模拟，后来,又将MC法应用于模拟晶粒生长的尺寸分布、拓扑学和局部动力学的研究。