[发明专利]一种三元合金焊接熔池柱状枝晶生长数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种三元合金焊接熔池柱状枝晶生长数值模拟方法，具体步骤如下：首先对焊接熔池凝固条件进行简化，然后建立枝晶的形核与生长模型，最后编写计算机程序，输入合金热物性参数以及各种焊接工艺参数，进行计算即可得到模拟结果。本模型能够模拟三元合金焊接熔池柱状枝晶的形核与生长、溶质浓度的分布，以及研究温度梯度、扰动振幅、各向异性强度等焊接工艺参数对枝晶生长的影响，从而对研究三元合金焊接熔池凝固过程中柱状枝晶的形核与生长起到一定的促进作用。

技术领域

本发明属于金属材料焊接工艺数值模拟技术领域，具体涉及一种三元合金焊接熔池柱状枝晶生长数值模拟方法。

背景技术

焊接熔池在凝固过程中常常以柱状枝晶的形式生长，因此，长期以来对枝晶生长规律的研究受到国内外专家学者的广泛关注。然而影响焊接熔池微观组织的因素很多，仅仅通过实验的方法研究结晶过程不仅耗时、耗力和耗资，而且很难直接观察到枝晶生长的整个过程。因此，通过数值模拟技术研究凝固规律，预测显微组织具有巨大的研究潜力，近几十年来，通过材料领域科研工作者的共同努力，建立了各种各样的微观组织模拟方法，其中最著名的有相场法(PF)和元胞自动机法(CA)。虽然元胞自动机法运用于材料领域相对于相场法较晚，但其以高效和较强的工程应用能力而发展迅猛。

目前，常见的焊接熔池凝固组织的CA模型主要适用于二元合金，但在实际应用中大多数情况下使用的是三元合金，而对于三元合金焊接熔池凝固组织数值模拟的报道则较少，因此，建立一种三元合金焊接熔池柱状枝晶生长CA模型就尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种三元合金焊接熔池柱状枝晶生长数值模拟方法，解决了现有技术中存在缺少适用于三元合金焊接熔池柱状枝晶生长CA模型的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种三元合金焊接熔池柱状枝晶生长数值模拟方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、简化三元合金焊接熔池凝固条件；

步骤2、建立三元合金焊接熔池柱状枝晶形核模型；

步骤3、定义捕获规则；

步骤4、建立三元合金焊接熔池柱状枝晶生长模型；

步骤5、模拟计算及结果导出。

本发明的特点还在于：

步骤1简化模型条件包括：

简化条件1、整个凝固过程只存在液相、固相和界面三种元胞状态；

简化条件2、元胞邻域关系采用V.Neumann型邻域，即四邻域；

简化条件3、三元合金凝固过程中设定溶质组元为B和C，忽略溶质之间的互扩散；

简化条件4、焊接熔池近似为对称分布，只考虑一半焊接熔池的凝固；

简化条件5、将熔池理想化为四分之一圆弧，圆弧内部定义为液态金属，外部定义为母材；

简化条件6、熔池中任意元胞到熔池中心的距离R由简化条件5可以得出：

式中：(i,j)为任意元胞的坐标，(s,s)为熔池中心的坐标。

步骤2具体按照以下步骤实施：

假定在时间步长Δt内，过冷度的增量为δ(ΔT)，则单位体积(v)内形核数新增加的量δn(ΔT)为：

δn(ΔT)＝n(ΔT+δT)-n(ΔT)

新晶粒形核的位置通过每一步长内形核概率确定，所述每一步长内形核概率的数值为：

p_n＝δn/n＝δn(ΔT)V_C