Математическое моделирование физических процессов при литейной сварке

• Автор: Кропотин, Николай Валентинович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 138 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Методы сварки и математические модели формирования сварного соединения и кристаллизации
1.1. Диффузионная сварка
1.2. Электродуговая сварка
1.2.1. Сварка чугуна
1.3. Диффузионная сварка с переходной жидкой фазой
1.3.1. Аналитическое решение
1.3.2. Численное решение
1.4. Диффузионная спайка
1.5. Моделирование электродуговой сварки
1.6. Теория квазиравновесной двухфазной зоны
1.6.1. Основные уравнения квазиравновесной теории
Глава 2. Исследование процесса кристаллизации бинарного сплава в автомодельном приближении
2.1. Уравнения модели
2.1.1. Уравнения двухфазной зоны
2.1.2. Уравнения жидкой фазы
2.1.3. Уравнения твердой фазы
2.2. Автомодельные уравнения задачи кристаллизации бинарного
сплава
2.3. Численный алгоритм решения задачи
2.4. Результаты исследования влияния диффузии в твердой фазе
на кинетику кристаллизации бинарного сплава

2.5. Выводы к главе

Глава 3. Влияние скорости кристаллизации на концентрационную неоднородность в твердой фазе
3.1. Расчет параметров микроликвации
3.2. Численное решение задачи кристаллизации
3.3. Исследуемая модель
3.4. Вычислительный эксперимент
3.5. Выводы к главе
Глава 4. Решение задачи направленной кристаллизации с учетом конвекции
4.1. Математическая модель направленной кристаллизации с учетом конвекции
4.2. Численный эксперимент
4.3. Выводы к главе
Глава 5. Математическое моделирование литейной сварки
5.1. Экспериментальное исследование литейной сварки
5.2. Математическая модель литейной сварки
5.3. Вычислительный эксперимент
5.4. Выводы к главе
Заключение
Список публикаций
Цитированная литература

Введение
Актуальность работы Изготовление почти каждого искусственного объекта на некоторой стадии включает в себя процессы затвердевания. Причина заключается в сочетании относительной дешевизны процессов заливки жидких расплавов в формы любой сложности с высоким качеством получающихся после затвердевания изделий. Благодаря этим факторам наблюдается общая тенденция вытеснения технологий механической обработки различными видами точного литья. В этом аспекте для производителя актуальны как улучшение качества продукции, получаемых с помощью процессов затвердевания, так и создание новых материалов с заданными свойствами. Эти задачи являются по своим целям технологическими и металловедческими, но по существу их решение возможно на основе комплексного подхода, включающего в себя создание физико-математических моделей процессов затвердевания, компьютерное моделирование процессов и прогнозирование свойств материалов, разработку контрольно-измерительных средств и методов экспериментального исследования материалов на различных стадиях их затвердевания. Предварительная отладка технологии в виртуальной среде позволяет значительно удешевить создание автоматизированных литейных комплексов, реализующих литейные процессы, отработанные на компьютере. При компьютерном моделировании процесса затвердевания металлических расплавов возникают существенные проблемы из-за большого числа материальных параметров и физических переменных, так как особенно важные для технических приложений сплавы содержат большое количество компонент и могут кристаллизоваться, образуя различные структуры, что приводит к широкому диапазону механических свойств и, следовательно, влияет на качество и долговечность изделия. Свойства изделия, получаемого в результате затвердевания гетерофазной и многокомпонентной системы во многом определяются

• Уменьшение протяженности твердой области повышает время, необходимое для полной кристаллизации
Такой вид сварки применяется в последнее время в аэрокосмической промышленности. Кинетика процесса изотермической кристаллизации, начинающейся после достижения равновесного состава жидкой и твердой фаз, определяется, таким образом, соотношением скоростей диффузии припоя в основной металл и основного металла в зону сплавления. При определенном пересыщении жидкости происходит выделение из нее твердого раствора. Диффузия припоя в твердую фазу снова вызывает пересыщение и последующее выделение из жидкости твердого раствора до тех пор, пока в зоне сплавления не останется жидкой фазы и не произойдет полная изотермическая кристаллизация. В результате в момент завершения кристаллизации состав центральной части зоны сплавления соответствует солидусу равновесной диаграммы состояния. Первоначально выделявшийся при кристаллизации на подложку твердый раствор вследствие диффузии в твердой фазе с течением времени обедняется припоем, концентрация которого понижается от равновесной, соответствующей солидусу, до нуля на границе диффузионной зоны с основным металлом исходной концентрации. Дальнейшая выдержка при температуре пайки ведет к диффузионному выравниванию состава образовавшихся в шве сплавов и приближению их к составу основного металла.
Моделирование такого процесса сварки непосредственно связано с моделированием процессов переноса, которые имеют место при плавлении-кристаллизации. Кинетика процесса достаточно проста для описания, чего нельзя сказать о других способах сварки.