钛合金焊接热影响区组织性能多层次模拟和预测方法研究

研究钛合金焊接热影响区不同层次组织和性能的模拟和预测方法，研究宏观力学性能与介观晶粒尺寸、微观组织的内在联系，探索组织和性能的多层次模拟、表征和预测方法。建立宏观力学性能与微观组织、介观晶粒尺度及宏观传热的耦合模型，在"微观-介观-宏观"多层次上，实现"工艺－组织－性能"一体化模拟和预测。重点研究以下问题：.1)焊接热影响区组织演化热力学和动力学；.2)焊接热影响区不同层次组织的表征和分析方法；.3)焊接热影响区晶粒生长模型及求解方法；.4)焊接热影响区固态相变模型及求解方法；.5)热影响区力学性能预测方法；.6)固态相变模型与晶粒生长模型耦合方法；.7)力学性能与微观组织、介观晶粒尺度和宏观传热的耦合模型。

本课题建立了钛合金热影响区晶粒长大，固态相变元胞自动机模型，揭示了目前在焊接冶金理论中尚无共识的组织演变的物理规律，提升了焊接热过程及应力应变过程有限元计算精度。.首先修正了晶粒长大的元胞自动机模型，在以晶界能作为晶粒长大驱动力的基础上，考虑原子的内能和跳跃激活能，反映因焊接接头温度梯度导致的晶粒长大前后内能的差异和晶粒长大的动力学特点。提出了粗网格划分方法和相似原理方法，实现了焊接宏观温度到晶粒长大计算节点的直接映射，解决了温度场计算和晶粒计算空间尺度不协调的困难。研究了钛合金焊接热影响区晶粒在一定工艺条件下急剧粗化的影响因素和特点。.在母相晶粒长大计算的基础上，建立了固态相变计算的元胞自动机计算模型。针对不同的固溶体类型，比较了几种常见的相变驱动力模型并提出了其适用范围；将等温相变和连续冷却相变热力学，动力学和晶体学实验数据和计算数据模型化，通过界面迁移和溶质扩散的相互作用，计算了相的演变和相变过程的溶质场。为了消除元胞自动机法捕捉网格对x，y 轴和45°方向的依赖性，采用类似连续性界面的虚拟前沿捕捉技术模拟任意角度的新相生长，从而体现β 到α 转变的惯习关系。.通过一系列不同条件下的相变组织模拟，研究了相变分数、组织形貌、溶质场的影响因素。首先是热力学因素，如温度和冷却速度；其次是动力学因素，如形核率，溶质扩散路径，吉布斯汤姆森系数；再其次是晶体学因素，如择优生长角度、各向异性模数和强度；最后是历史相关性，即母相晶粒大小、初始溶质场和初始相组成，以及固液溶质分配系数对固溶体溶质分配的影响。.构建了扩散/界面/混合控制型相变的定量化模型，通过解析模型说明了溶质扩散系数，界面迁移系数和相变驱动力系数对相变类型的影响规律。通过对连续冷却固态相变的CA 模拟，揭示了连续冷却相变从高温界面控制型到低温扩散控制型转变，冷却速度越大，临界转变温度越高。为了克服传统的连续冷却相变动力学JMA 方程表达和求解的困难，对该方程做了显式化处理，以固态相变CA 模拟获得的冷却速度-温度-相变分数关系为目标函数对该方程求解相变动力学参数，协调了固态相变计算域和焊接接头空间尺度不协调的问题。