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主管单位 中华人民共和国
工业和信息化部
主办单位 中国材料研究学会
哈尔滨工业大学
主编 苑世剑 国际刊号ISSN 1005-0299 国内刊号CN 23-1345/TB

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引用本文:张敏,汪强,徐蔼彦,邢奎.非均匀温度场Fe-0.06%C合金焊接接头凝固过程模拟分析[J].材料科学与工艺,2015,23(1):101-107.DOI:10.11951/j.issn.1005-0299.20150117.
ZHANG Min,WANG Qiang,XU Aiyan,XING Kui.Simulation of solidification process of Fe-0.06%C alloy under non-uniform temperature field[J].Materials Science and Technology,2015,23(1):101-107.DOI:10.11951/j.issn.1005-0299.20150117.
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非均匀温度场Fe-0.06%C合金焊接接头凝固过程模拟分析
张敏,汪强,徐蔼彦,邢奎
(西安理工大学 材料科学与工程学院,西安 710048)
摘要:
利用元胞自动机和有限差分(CA-FD)法,采用宏-微观两种尺度,将宏观温度场与微观枝晶生长过程耦合在一起,再现了Fe-0.06%C二元合金焊接熔池的凝固过程.同时,探讨了边界散热速率对焊接熔池中枝晶生长形貌及晶粒尺寸的影响;分析了形核基底数与枝晶生长间的关系;并用实验对模拟结果进行了验证.结果表明,在熔池凝固过程中,温度梯度沿散热边界向绝热边界方向不断减小,等温线弧度不断增大;熔池散热边界附近的液相中溶质浓度远远高于绝热边附近和模拟区域中心的液相溶质浓度;模拟区域内的温度梯度随着边界散热速率的增大而升高.此外,随着形核基底的增加,柱状晶数量基本不变;而等轴晶数量不断增多,分布范围逐渐扩大,但尺寸有所减小.模拟结果反映了焊接熔池的凝固过程,并与实验结果吻合,为实际焊接工艺的选取提供了一定的参考.
关键词:  焊接冶金  数值模拟  焊接熔池  宏-微观模型  微观组织  枝晶生长
DOI:10.11951/j.issn.1005-0299.20150117
分类号:TG401
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51274162);国家高技术研究发展计划资助项目(863计划)(2013AA031303);陕西省基础研究计划项目(2012JM6003).
Simulation of solidification process of Fe-0.06%C alloy under non-uniform temperature field
ZHANG Min, WANG Qiang, XU Aiyan, XING Kui
(School of Materials Science and Engineering,Xi′an University of Technology,Xi′an 710048,China )
Abstract:
The simulation model of macroscopic temperature field and dendritic growth, in which cellular automata-finite difference(CA-FD) methods and two kinds of scales are adopted, are combined to simulate the solidification process of Fe-0.6%C alloy in welding pool. According to the model, the influence of dendrite morphology and grain size with different boundary cooling rate and different nucleation basal are analyzed and discussed. To verify the simulation results, welding experiments are carried out. It is found that in the solidification process the temperature gradient decreases while isotherm curvature increases from the cooling side to the adiabatic side. Meanwhile, the solute concentration near the cooling side is much higher than that near the insulation boundary and in the center of the welding pool. Furthermore, the region of temperature gradient rises with the increase of cooling rate. As the nucleation substrate increases, the number of columnar crystals remains the same, while the amount of equiaxed crystals raise faster. The simulation results demonstrate the solidification process of welding pool and agree well with the experimental results.
Key words:  welding metallurgy  numerical simulation  weld pool  macro-micro model  microstructure  dendritic growth

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