TA15钛合金TIG焊热影响区组织模拟及力学本构关系研究

摘要

焊接接头性能研究主要围绕冶金行为和力学行为两个方面开展。冶金行为包含晶粒度和相组成，力学行为包含结构应力和组织应力(相变应变和相变塑性)。钛合金焊接过程中，热输入较大时热影响区晶粒极易粗化，在连续冷却过程中，由于组织遗传产生魏氏组织，在焊接应力、氢、脆性组织三者耦合作用下，接头容易形成冷裂纹。因此，以固态相变组织模拟为主线，开展焊接过程微观组织演变和宏观应力变形的数值模拟研究具有重要的理论意义。
　　本文首先采用元胞自动机(CA)方法对晶粒长大、固态相变过程进行模拟，揭示目前在焊接冶金理论中尚无共识的组织演变的物理规律。首先修正了晶粒长大的CA模型，在以晶界能作为晶粒长大驱动力的基础上，考虑原子的热振动能和跳跃激活能，反映因焊接接头温度梯度导致的晶粒长大前后热振动能的差异和晶粒长大的动力学特点。提出了粗网格划分方法和相似原理方法，实现了焊接宏观温度到晶粒长大计算节点的直接映射，解决了温度场计算和晶粒计算空间尺度不协调的困难。研究了钛合金焊接热影响区晶粒在一定工艺条件下急剧粗化的影响因素和特点。结果显示，热输入越高，温度越高，温度梯度越小，晶粒长大界面迁移越快而热钉扎作用越弱，晶粒粗化越严重。
　　在母相晶粒长大计算的基础上，建立了固态相变计算的CA计算模型。针对不同的固溶体类型，比较了几种常见的相变驱动力模型并提出了其适用范围；将等温相变和连续冷却相变热力学，动力学和晶体学试验数据和计算数据模型化，通过界面迁移和溶质扩散的相互作用，计算了相状态和溶质浓度演变。为了消除 CA法捕捉网格对x，y轴和45°方向的依赖性，采用类似连续性界面的虚拟网格捕捉技术模拟任意角度的新相生长，从而体现β-α相变的惯习关系。
　　通过一系列不同条件下的固态相变组织模拟，研究了相变分数、组织形貌、溶质场的影响因素。首先是热力学因素，如温度和冷却速度，结果表明，保持晶粒度不变，改变温度，相变动力学结果与Johnson–Mehl–Avrami(JMA)方程计算结果吻合，析出相的宽度随温度升高而增大，与Mullins-Sekerka(M-S)界面失稳理论一致。其次是动力学因素，如形核率、溶质扩散路径、吉布斯汤姆森系数，结果表明，新相的竞争生长与形核率和曲率效应有关，溶质扩散为相变提供驱动力，直接影响析出相形貌；再其次是晶体学因素，如择优生长角度、各向异性模数和强度；最后是历史相关性，即母相晶粒大小、初始溶质场和初始相组成以及固液相溶质分配系数对固溶体溶质分配的影响。结果表明，母相晶粒度和未转变之前的相组成通过改变形核和长大的空间位置影响后续的固态相变，凝固过程的微观溶质偏析，是导致熔池内固态相变趋利进行的主因。
　　而后，构建了扩散/界面/混合控制型相变的定量划分模型，通过解析模型说明了溶质扩散系数、界面迁移系数和相变驱动力对相变类型的影响规律。通过对连续冷却固态相变的CA模拟，揭示了连续冷却相变从高温界面控制型到低温扩散控制型转变，冷却速度越大，临界转变温度越高。
　　为了克服传统的连续冷却相变动力学 JMA方程表达和求解的困难，对该方程做了显式化处理，以固态相变CA模拟获得的冷却速度-温度-相变分数关系为目标函数对该方程求解相变动力学参数，协调了固态相变计算域和焊接接头空间尺度不协调的问题。通过 JMA方程的有限元二次开发，实现预测焊接接头不同位置和时间的相变分数。建立了综合热应变、具有应变硬化特征的弹塑性应变、扩散型相变的相变应变以及切变型相变的相变塑性应变的材料力学本构方程，并通过热-力模拟试验，测量了钛合金的相变应变和相变塑性的大小，最终实现了基于 MARC有限元软件的固态相变动力学和力学行为的二次开发。
　　最后，计算了相变应变、相变塑性对焊接残余应力和变形的贡献，揭示了固态相变参与焊件内应力应变重新调整的规律。结果表明，应变硬化能降低焊后残余变形，但增大了焊后残余应力。拉应力区的相变体积膨胀和压应力区的相变体积收缩，以及应力正相关的相变塑性能降低焊后残余应力，通过模拟，寻找到通过相变塑性和相变应变控制焊接残余应力的最佳温度区间。

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第1章 绪 论

1.1课题研究目的及意义

1.2钛合金焊接组织演变特点

1.3焊接热影响区组织模拟研究现状

1.4组织演变和力学作用的耦合计算研究现状

1.5本课题主要研究内容

第2章 TA15钛合金焊接热影响区的晶粒生长计算

2.1引言

2.2晶粒长大CA模型的完善与修正

2.3热影响区晶粒长大的计算

2.4焊接热影响区晶粒长大计算结果

2.5本章小结

第3章 TA15钛合金β-α固态相变元胞自动机模型的建立

3.1引言

3.2相变热力学

3.3形核模型

3.4固态相变动力学模型的建立

3.5固态相变晶体学模型的建立

3.6本章小结

第4章 固态相变模拟及影响因素定量化研究

4.1固态相变的计算和影响因素

4.2组织演变的历史相关性

4.3热影响区连续冷却相变计算

4.4本章小结

第5章 固态相变类型的定量化研究

5.1引言

5.2固态相变动力学的数理模型和相变类型的定量划分模型

5.3基于长程扩散驱动力的相变类型计算

5.4基于短程扩散驱动力的相变类型计算

5.5本章小结

第6章 考虑固态相变的TA15钛合金本构关系建立及二次开发

6.1引言

6.2固态相变应变模型

6.3 TA15钛合金弹塑性本构关系

6.4固态相变塑性

6.5复合本构关系的二次开发

6.6本章小结

第7章 固态相变控制焊接应力应变场的研究

7.1引言

7.2焊接FEM模型和相变动力学计算

7.3相变应变对焊接残余应力变形的影响

7.4应变硬化对焊接残余应力变形的影响

7.5相变塑性对焊接残余应力变形的影响

7.6复合本构关系的计算结果

7.7本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

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致谢

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