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线性摩擦焊过程中的原子扩散及缺陷演化动力学模拟

作　者: 矫震
导　师: 何鹏
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 线性摩擦焊 分子动力学 表面粗糙度 孔洞弥合 多尺度模拟
分类号: TG453.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


线性摩擦焊接是一种高效的固相连接方法,在整体叶盘制造等领域有广阔的应用前景。线性摩擦焊过程是一个伴随着力、热和冶金现象的复杂过程,目前在实验上对线性摩擦焊已有大量的研究,但线性摩擦焊过程十分复杂,很多物理现象和机制很难通过目前实验手段直接观测和分析,很多现象和机制需要从微观的角度分析。对线性摩擦焊数值模拟方面的研究目前大多针对的是连续体,然而很多物理过程如原子扩散等是离散的。因此,从原子尺度对线性摩擦焊过程进行分析非常有必要。本文采用分子动力学方法,从原子尺度对线性摩擦焊过程进行数值模拟,建立了Ni-Al线性摩擦焊的分子动力学模型,包括摩擦阶段和顶锻阶段,研究了不同工艺参数对扩散层的影响,结果表明,提高顶锻压力和摩擦速度对总的扩散层厚度的增加都有促进作用,摩擦速度主要对摩擦阶段生成的扩散层有较大影响,而顶锻阶段生成的扩散层主要受顶锻压力的影响。基于此模型,我们研究了表面粗糙度对线性摩擦焊过程的影响。研究结果表明,粗糙表面在摩擦过程中逐渐消失,较硬材料表面粗糙时会对焊后界面组织的成分和结构造成影响,较软材料的粗糙表面对焊后界面组织影响不大。通过模拟,我们得出当表面粗糙时,线性摩擦焊的过程主要分为三个步骤,首先是两侧材料相互靠近并逐渐接触,在顶锻力和摩擦力的作用下开始摩擦阶段,较软材料(Al)开始变形,以便使两侧材料有更大的接触面积。然后随着摩擦的进行,较软材料(Al)变形越来越大,使两侧材料的界面达到完全紧密的接触。最后,在两端施加顶锻力,完成焊接。此外,我们还研究了线性摩擦焊过程中的孔洞弥合规律。在Ni和Al两侧分别预置孔洞,为了考虑界面处扩散层对孔洞的影响,分别考虑孔洞离界面较近和较远的情况,模拟结果表明,当孔洞离界面较近时,孔洞可以在焊接过程中弥合,Al侧孔洞在摩擦阶段弥合,Ni侧孔洞在顶锻阶段弥合;当孔洞弥合时,都是从靠近界面的方向开始弥合。当孔洞离界面较远时,Al侧孔洞可以在顶锻阶段完全弥合,而Ni侧孔洞不能弥合,最后,本文建立了线性摩擦焊的有限元模拟模型,提出了线性摩擦焊多尺度模拟的思路,采用桥尺度方法将分子动力学模拟和有限元模拟结合起来,为今后线性摩擦焊完整的数值模拟提供了方法。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章 绪论  10-19
  1.1 课题的研究目的和意义  10-11
  1.2 线性摩擦焊的研究现状  11-13
    1.2.1 线性摩擦焊实验的研究现状  11-12
    1.2.2 线性摩擦焊模拟的研究现状  12-13
  1.3 材料加工过程分子动力学模拟研究现状  13-16
  1.4 表面粗糙度对材料加工过程影响的研究现状  16-17
  1.5 材料加工过程中孔洞弥合规律的研究现状  17-18
  1.6 本课题的主要内容  18-19
第二章 分子动力学基本理论  19-27
  2.1 分子动力学基本原理  19-21
    2.1.1 基本运动方程  19
    2.1.2 牛顿运动方程的数值解法  19-21
  2.2 原子间相互作用的势函数  21-22
  2.3 分子动力学模拟的系综  22-25
    2.3.1 分子动力学模拟系综的分类  22
    2.3.2 分子动力学模拟系综的调温技术  22-24
    2.3.3 分子动力学模拟系综的调压技术  24-25
  2.4 分子动力学模拟时间步长的确定  25
  2.5 分子动力学模拟的步骤  25
  2.6 分子动力学模拟中的软件  25-26
  2.7 本章小结  26-27
第三章 Ni-Al线性摩擦焊模型的建立  27-40
  3.1 线性摩擦焊的基本原理  27
  3.2 顶锻阶段的分子动力学模型  27-31
    3.2.1 同质材料顶锻阶段的分子动力学模型  27-29
    3.2.2 异质材料顶锻阶段的分子动力学模型  29-31
  3.3 Ni-Al线性摩擦焊分子动力学模型  31-33
  3.4 摩擦温度对线性摩擦焊的影响  33-37
  3.5 顶锻压力对线性摩擦焊的影响  37-39
  3.6 本章小结  39-40
第四章 表面粗糙度对Ni-Al线性摩擦焊的影响  40-47
  4.1 Ni侧光滑Al侧粗糙时对线性摩擦焊模型  40-42
    4.1.1 Al侧凸起时线性摩擦焊模型  40
    4.1.2 Al侧凹陷时线性摩擦焊模型  40-42
  4.2 Al侧光滑Ni侧粗糙时对线性摩擦焊模型  42-44
    4.2.1 Ni侧凸起时线性摩擦焊模型  42-43
    4.2.2 Ni侧凹陷时线性摩擦焊模型  43-44
  4.3 表面粗糙度对线性摩擦焊的影响  44-46
  4.4 本章小结  46-47
第五章 Ni-Al线性摩擦焊中孔洞弥合规律的研究  47-55
  5.1 孔洞离界面较近时的孔洞模型  47-51
    5.1.1 Al侧预置孔洞时分子动力学模型  47-49
    5.1.2 Ni侧预置孔洞时分子动力学模型  49-51
  5.2 孔洞离界面较远时的孔洞模型  51-53
    5.2.1 Al侧预置孔洞时分子动力学模型  51-52
    5.2.2 Ni侧预置孔洞时分子动力学模型  52-53
  5.3 Ni-Al线性摩擦焊中的孔洞弥合规律  53-54
  5.4 本章小结  54-55
第六章 线性摩擦焊有限元模拟的研究  55-68
  6.1 引言  55
  6.2 线性摩擦焊有限元模型的建立  55-64
    6.2.1 模型的建立与简化  55-56
    6.2.2 热物理性能参数  56
    6.2.3 计算单位的统一  56-58
    6.2.4 有限元网格划分  58-61
    6.2.5 热源模型选取  61
    6.2.6 初始条件及边界条件  61-63
    6.2.7 线性摩擦焊有限元模拟  63-64
  6.3 线性摩擦焊有限元模拟的思路  64
  6.4 线性摩擦焊多尺度模拟的展望  64-67
  6.5 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-73
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  73-75
致谢  75

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 焊接、金属切割及金属粘接 > 焊接工艺 > 加压焊 > 其他加压焊
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