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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

矫震  
【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。


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