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        《西安理工大學》 2014年
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        低碳鋼焊接熔池凝固過程的微觀組織模擬

        汪強  
        【摘要】:焊接接頭的微觀組織直接影響著焊接構件的使用性能。在焊接過程中,凝固是焊縫組織形成的主要方式。對焊接熔池凝固過程機理的深入分析研究,有助于控制焊縫組織,實現有效預測焊接接頭的使用性能;然而,焊接熔池體積小、溫度分布極其不均勻、液態金屬存在時間極短等特點使得試驗的方法很難實時監測焊接熔池的凝固過程。近幾十年,隨著計算機技術及凝固理論的飛速發展,通過數值模擬的方法研究焊接熔池凝固過程逐漸成為焊接領域的熱點問題之一。本文在現有的模擬研究基礎上,結合元胞自動機和有限差分法,對低碳鋼焊接過程中焊接熔池凝固過程中枝晶生長和演化過程進行了模擬研究。研究表明:模擬得到的枝晶生長過程中溶質濃度變化規律與凝固基本理論一致;初始過冷度越大,枝晶生長速率越大;二、三次枝晶臂數隨著初始過冷度的增加不斷增多,且其分枝形貌越來越復雜多樣。柱狀晶向等軸晶轉變時,熔池內等軸晶生長釋放的溶質使柱狀樹枝晶尖端溶質濃度急劇升高,從而阻礙了柱狀晶的繼續生長。冷卻速率對熔池凝固過程中柱狀樹枝晶向等軸樹枝晶轉變的影響較大,冷卻速率越大,柱狀晶越易向等軸晶轉變,且轉變所需時間越短。采用宏/微觀兩種尺度,將宏觀溫度場與微觀枝晶生長過程耦合在一起,再現了Fe-0.04%C二元合金焊接熔池的凝固過程。熔池凝固過程中,溫度梯度沿散熱邊界向絕熱邊界方向不斷減小,而等溫線弧度不斷增大;模擬區域的溫度梯度隨著邊界擴散速率的升高而增加;隨著形核基底數的增加,柱狀晶數量基本不變,等軸晶數量急劇增多,分布范圍逐漸擴大,但尺寸有所減小。此外,建立了改進的基于溶質濃度變化的相控制模型,改進后的模型融入了Fe-C二元相圖的特點。利用改進后的模型對低碳鋼(Fe-0.04%C)焊縫組織進行了模擬,并討論分析了初始溶質濃度、冷卻速率和形核基底數對焊縫組織的影響。
        【學位授予單位】:西安理工大學
        【學位級別】:碩士
        【學位授予年份】:2014
        【分類號】:TG457.11

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