金属材料扫描电子束表面处理熔池晶粒生长的模拟

摘要

很多金属材料因为耐腐蚀性差、硬度低等缺点而限制了工业应用,通过对其表面处理可以有效的改善耐磨性、耐腐蚀性等性能。电子束技术作为一项新型的快速表面处理技术,为改善材料的力学性能开辟了新的领域。扫描电子束表面处理熔池的凝固组织如晶粒的尺寸、生长形态等对材料的性能有很大的影响,但扫描电子束表面处理是一个非常复杂的动态过程,对实时熔池的凝固过程很难进行测试,因此采用数值模拟技术对扫描电子束表面处理熔池凝固进行模拟具有重要的实际意义。
　　本文根据扫描电子束表面处理的物理过程,建立了扫描电子束表面处理熔池的温度场模型,并利用COMSOL软件求解,得到宏观温度场分布数据,通过MATLAB软件进行处理,得到微观温度场。采用蒙特卡罗方法建立了扫描电子束表面处理金属材料熔池晶粒生长的二维数学模型,利用宏观温度场和微观温度场的温度数据,结合晶界迁移模型进行晶粒生长模拟,通过试验验证模型的合理性。
　　研究结果表明:微观温度场在三维空间内表面温度高,熔池底部温度低,具有高斯分布的特性;在xoy平面,温度由熔池表面到熔池底部呈现出较为均匀的梯度分布。二维晶粒生长模型恒温模拟结果表明随着模拟时间步的增加,晶粒平均尺寸增长的速率先增加后减小,呈逐渐降低的趋势,晶粒平均尺寸不断增大,晶粒数量减小;在晶粒生长过程中会出现大晶粒吞并小晶粒的现象,产生T1和T2两种拓扑变化,通过对恒温模拟获得的数据进行回归计算得到模型常数(K1=0.9113,n1=0.5992)。采用蒙特卡罗方法进行熔池晶粒生长模拟,在熔池底部主要生长的是细小的等轴晶,熔池中部转变为柱状晶,在熔池上部逐渐生长为粗大的等轴晶;对6061铝合金、H13钢和45钢进行扫描电子束表面处理,制备出金相试样,通过电子显微镜观察其金相组织,发现在经过扫描电子束表面处理之后,在熔池的底部主要分布着细小的等轴晶,随着凝固的进行直到熔池自由表面,逐渐转变为柱状晶,实验得到的晶粒大小和位向分布的结果与模拟结果相互吻合;通过改变扫描电子束参数对晶粒生长进行模拟,随着扫描电流的增加,晶粒平均尺寸呈增大趋势,随着扫描速度的增加,晶粒平均尺寸也是增大的,这一点与实验结果相符。

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第一章 绪论

§1. 1 课题研究背景及意义

§1. 2 扫描电子束表面处理的工艺特点

§1. 3 国内外微观凝固组织数值模拟的研究现状

§1. 4 课题的来源

§1. 5 论文的主要内容及创新点

第二章 扫描电子束表面处理熔池凝固模拟理论基础

§2. 1 扫描电子束表面处理熔池凝固规律

§2. 2 微观组织的数值分析方法

§2. 4 本章小结

第三章 扫描电子束表面处理温度场的计算

§3. 1 扫描电子束表面处理过程温度场的形成

§3. 2 扫描电子束表面处理温度场模型的建立

§3. 3 软件调用与温度场后处理

§3. 4 本章小结

第四章 扫描电子束表面处理熔池晶粒生长的蒙特卡罗（ MC ）模型的建立及仿真结果分析

§4.1 蒙特卡罗（MC）模拟晶粒生长原理

§4. 2 MC法模拟晶粒长大的动力学模型

§4. 3 扫描电子束表面处理熔池晶粒生长模拟的MC模型的建立

§4. 4 恒温MC法晶粒生长模拟

§4. 5 模拟结果分析

§4. 6 本章总结

第五章 扫描电子束表面处理熔池的晶粒生长的实验研究与仿真结果验证

§5. 1 实验材料、设备与方法

§5.2 电子束工艺参数的选择

§5. 3实验结果分析

§5. 4 扫描电子束工艺参数对熔池晶粒生长的影响

§5. 5 本章总结

第六章 总结与展望

§6. 1 全文总结

§6. 2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果