热加工传输原理应用

1、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

2、、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

3、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Craine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

4、厚度、轴向缩短量与温度的关系。1994年，Midling与Grong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

5、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1/22/3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

6、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

7、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

8、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，

9、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

10、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.olfram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

11、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，可以定义相场的一个确定的值表示系统中的相的状态，例如0代表固相区，1代表液相区，在固液界面上的值在01之间连续变化，相场理论是建立在统计学基础上的，以GinzburgLandau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

12、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

13、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

14、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 data 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

15、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。Brown和Spittle最先采用Anderson等发展起来的MC方法建立了晶粒生长的概率模型。后来，PanpingZhu和Smith考虑了材料的界面能与体积自由能，并结合连续性方程将Brown和Spittle的方法进行了改进。1993年，Paillard等

16、19应用MC法在二维网格上模拟HiB Fe(Si)为3的合金正常和异常晶粒的生长。在模拟中，他们考虑了2个不同结晶取向的晶粒之间能量和晶界迁移的各向异性，与试验结果比较得出用MC法模拟晶粒长大是可行的。之后，Radhakrishnan和Zacharia提出了一个修正的MC算法，以获得MC模拟、晶粒尺寸的真实参数和时间之间的关系。并使用修正的MC模型深入研究了0.5MoCrv钢焊接热影响区晶粒的结构。模拟结果表明为精确预测0.5MoCrv钢HAZ的晶粒尺寸需考虑HAZ温度梯度的急速变化以及晶粒液相边界的钉扎作用。此后，MC法焊接接头微观组织模拟中得到了迅速的发展。1996年，Gao等人提出了HA

17、Z晶粒生长的3个模型，使MC模拟能够应用于整个焊接过程中，并且通过GBM模型在马口铁再结晶区等温晶粒生长的应用和EDB模型在连续加热的钛合金热处理中的应用，进一步分析了2种模型在实际工艺生产过程的应用，并且得出等温过程和连续加热过程下普通晶粒生长的一般模拟规律，即当等温晶粒生长动力学的实验数据可得到时，基于实验数据的模型在模拟中可得到很好的结果。1998年，RadhakrishnanB.等人又进一步把MC法与有限差分法结合起来，再现热机械处理下微观结构演化的信息。1999年S.Jahanian等人利用GBM模型，对0.5MoCrv焊接HAZ晶粒生长进行了模拟，并在模拟中将温度梯度融入MC算法，

18、成功地获得了焊接热影响区的热钉扎现象，丰富了文献20中提出的修正MC算法，进一步奠定了焊接接头HAZ晶粒生长模拟的研究基础。Yang和Sista23利用GBM模型对钛合金HAZ晶粒生长进行三维的MC模拟，提出了第一个工业用纯钛在GTA焊接中三维晶粒生长模型，克服了二维模拟中的缺点。2002年，M.Y.Li和E.Kannatey 等利用EDB模型对Ni270激光焊接后HAZ晶粒的生长进行了二维模拟，并且具体分析了在实际模拟过程中时间、空间以及物理参数如温度的测量等等对模拟结果的影响和原因，进一步为MC法应用于高温焊件组织预测提供了研究基础。在国内，许多学者对焊接接头微观组织晶粒生长过程也有了不少

19、的研究。但早期还是主要集中在对MC法本身的探讨、模拟晶粒分布函数特点以及晶粒形貌等方面。例如，丁雨田等人应用MC方法模拟了定向凝固条件下微观组织的形成过程。莫春立等人通过对MC法的研究揭示了其在模拟微观组织过程中的重要作用，讨论了MC法的特点以及概述了MC模拟方法在材料加工过程中的应用情况。陈礼清等人利用二维点阵及MC法模拟了二维多晶体晶粒长大的规律等。钟晓征等人运用MC法及改进的QStatepotts算法，对多晶体材料正常和异常晶粒的长大过程进行了模拟，并对正常晶粒生长形貌演化也进行了可视化研究。同时，叶日晴等人也使用快速QStatepotts算法对多晶体材料在退火中晶粒生长过程的结构演化进

20、行了计算机模拟和统计分析。近些年来，研究开始主要集中在简单纯金属的焊接组织及热影响区的模拟。如莫春立等人利用EDB模型对单相铁素体不锈钢HAZ晶粒长大的过程进行了模拟，与试验结果较吻合。模拟结果揭示了温度梯度的存在对晶粒长大的阻碍作用，HAZ微观组织的演变过程及晶粒尺寸的分布情况。姜寿文等人采用MC方法和简化的物理模型所编制的程序也较好地模拟了冷轧钢板退火组织的演变过程及变化规律，模拟程序所演示的退火过程晶粒尺寸和再结晶百分比变化与实验所得到的结果一致。宋晓艳等人利用三维的MC仿真技术模拟了单相材料正常晶粒的生长过程，更准确地反映了晶粒长大动力学和拓扑学的全面信息，逼真再现了晶粒长大的过程，并

21、且明显提高了模拟效率，这是二维模拟难以比拟的。2.6 基于元胞自动机(CA)法的晶粒生长模型2.6.1元胞自动机的基本思想CA法同样以随机概念、形核的物理机理与晶体生长动力学理论为基础。具体来说，元胞自动机是由元胞和元胞空间组成，复杂的体系对应元胞空间被划分成一个一个简单的元胞，并且时间被离散成时间步，元胞的状态也被离散成有限个分离的状态，元胞之间的相互作用也被限定在一定的范围内，即1个元胞只与它相邻的元胞邻居发生作用，元胞与元胞之间的作用由几条简单的规则组成，即每个元胞在某一时刻的状态由一个时间步前的状态按照一定规则来决定。这种元胞状态的转变是随着时间步的不断增加同步地进行着，每个元胞在受到

22、其邻居的影响的同时也在影响着它的邻居，最后通过计算机统计而得到体系的总体状态。这种以简单的、离散的元胞通过简单的规则与邻居发生局部作用来考察复杂体系的方法就是元胞自动机的基本思想。传统的数学建模方法是建立描述体系行为的偏微分方程，它依赖于对体系的成熟的定量理论，而大多数体系缺乏这样的理论。于是元胞自动机从微观出发来考虑问题，与同样从微观出发的分子动力学和蒙特卡罗法需要依赖与体系内部原子间势函数或体系内部自由能的计算不同，元胞自动机直接考察体系的局部交互作用，再借助计算机统计模拟这种局部作用所导致的总体行为，从而得到它们的组态变化。2.6.2元胞自动机在微观组织模拟中的研究进展材料的组织形态及其

23、演变规律具有复杂、动态和随机性的特征，对于这类问题一直以来都缺乏有效的定量数学描述，元胞自动机在处理这类问题时具有较显著的优点。元胞自动机在材料科学中的应用是近十几年才发展起来的，最早出现在凝固结晶方面。Packard建立了第一个枝晶生长的二维元胞自动机模型，考察了局部的界面曲率的影响，并定性观察了枝晶生长结构。在他的影响下，又有不少学者对凝固枝晶的元胞自动机模拟进行了研究，这些模型都考虑了曲率、热扩散和潜热等效应，并定性地生成了凝固枝晶的基本组织结构形态，并从不同的侧面反映出枝晶生长的一些现象及不同因素对它的影响。Brown在研究中考察了不同过冷度对枝晶形态的影响，观察到随着过冷度的降低，枝

24、晶的尖端出现明显的分叉，过冷度再继续减少，随着侧支形成的数目减少而向主轴生长。这类元胞自动机模型也运用到凝固中的耦合生长现象，如共晶生长，Brown在这里考虑了过程中不同组元的再分布，虽然没有考虑潜热和热传导等热效应，模拟结果仍再现了共晶生长产生的层状共晶组织特征。Brown还进一步地把元胞自动机与有限差分法结合起来，建立了三维的元胞自动机有限差分(CAFD)模型，来模拟两相的耦合生长。在2000年，他又建立了多元多相合金的CAFD模型，该模型能够较好地预测平衡凝固时微观偏析和平衡成分生成的信息。另外，H.Hesselbarth和I.R.Gobel在1991年也成功地利用CA法模拟了二维情况下

25、的再结晶过程39。他们利用元胞自动机模型建立了再结晶形核和核长大的动力学模型以及在模拟中不同的参数和算法对再结晶行为的影响。模拟结果成功地证明了已被公认的再结晶动力学理论：f1exp(B·tn)，即JMAK(JohnsonMehlAvramiKalmogorav)理论。在国内，近年也有许多学者进行了一定的研究。李殿中等人采用CA法对K417Ni基高温合金涡轮叶片的凝固组织进行了模拟，分析计算了任一时刻任一晶粒的生长尺寸及形态演变过程，结合金属凝固过程和热形成过程的温度场、浓度场、应力应变场的数值模拟和金属结晶、再结晶过程中的热力学、动力学条件，实现了组织过程的定量模拟，建立了金属成形

26、过程组织演变的宏微观耦合模型。魏秀琴等人提出了基于一种电渣熔铸凝固结晶过程的三维元胞自动机模型，对电渣熔铸凝固过程进行了计算机模拟就电渣熔铸过程中金属熔池深度的变化以及电极熔速、渣温、铸件尺寸和散热系数对它的影响进行了一系列计算机模拟试验，结果再现了电渣熔铸中一些已确认的现象。2002年，余亮等人又在研究中认为枝晶这种特殊形态的形成和生长，完全是晶体凝固以及温度场耦合作用得到的自然结果，并且通过试验说明，通过元胞自动机可以在最基础的物理冶金理论支持下，对于微观结构的形成和发展进行机理上的研究。但目前CA法用于焊接接头晶粒生长微观模拟的研究者还比较少。综上所述，元胞自动机方法是处理微观组织演变过

27、程的一种好的方法。如果有限元、有限差分法与CA方法结合，构造合理的宏、微观耦合的物理模型，则可以模拟实际工件焊接过程的组织演变，预测晶粒度、相的分布等，并通过宏观工艺参数来优化组织。目前国内外开展此项工作的学者尚不多见，但已经引起了不少学者的关注。3、数值模拟在摩擦焊接中的应用。Smith等建立了热力耦合流动模型，此模型将工具几何、合金类型、工具旋转速度、工具位置和移动速度作为输入量预测了材料的流动过程。Colegrove等采用了二维计算流体动力学软件Fluent研究了FSW工具附近的金属流动。所获得流动规律与London和Guerra实验得到的流动规律几乎一致。数值模拟建立的固相力学模型确定

28、了材料流动的速度场、材料流动特征以及塑性流动过程中的应力分布。实验部分是通过可视化跟踪技术确定焊接前后的材料的流动模式。Seidel等基于流体力学理论建立二维FSW模型，此模型将把FSW焊接过程认为是层流、粘性、非牛顿流体绕过旋转的圆柱体搅拌头。材料塑性变形产热使得焊缝金属发生软化。二维模型预测了焊缝金属流动在多数情况下，材料都是从后退侧绕过搅拌头流动的。基于流体力学分析材料流动行为是不能准确反映材料在焊接过程中的运动本质的，一些学者(如张洪武等)使用通用有限元软件ABAQUS对FSW的搅拌过程进行二维模拟，研究了焊接工艺过程中焊件材料的流动情况以及在焊接过程中材料的应力和应变情况。得到以下3

29、种流动模式,即：前进侧的材料绕搅拌头旋转数周之后沉积在搅拌头之后的尾迹中；后退侧的材料直接被搅拌头旋推到搅拌头的后方；靠近中间焊缝处的材料会进入旋转区绕搅拌头旋转。以上二维模型过于简单，做了过多假设，并不能代表真实的FSW流动特性。英国焊接研究所的Smith在文献中总结了搅拌摩擦焊过程中材料流动模拟的进展,指出搅拌摩擦焊三维空间模型更具有实践意义。Colegrove等应用商用计算流体力学软件FLUENT模拟了FSW过程中金属材料的塑性流动，建立了TrivexTM搅拌头和TrifluteTM搅拌头的三维滑动模型。这些模型揭示了围绕探针的三维流动情况，并预测了横向压力和向下方向的压力。但在这个模型

30、中，Colegrove没有考虑搅拌头螺旋线、搅拌头倾斜角度、轴肩上的同心圆环以及搅拌头探针顶端冠状凸起对流体流动的影响。文献利用温度场作为边界条件针对搅拌摩擦焊焊缝中复杂的金属的流动建立的模型分析了焊接速度、搅拌头旋转速度对模型的影响。得出了许多焊接过程中真实的特征，但此模型没有预测出焊接压力。Nandan等人根据以前的实验建立了三维金属粘塑性流动模型，模拟结果表明，搅拌摩擦焊过程热传导和材料流动有着明显的不对称性，而且随着焊接速度和搅拌头旋转速度的提高，这种不对称性也在增强。最近，Nandan等人还建立了搅拌摩擦焊接中碳钢三维粘塑性流动和传热模型，模型采用非牛顿粘性计算了金属的流动，文献得到了不同深度的水平面流线(