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《強(qiáng)流脈沖電子束材料改性機(jī)制及數(shù)值模擬》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、摘要本學(xué)位論文主要研究強(qiáng)流脈沖電子束材料表面改性的物理過程與主要機(jī)理。我們建立了這個(gè)過程中溫度場與應(yīng)力場的數(shù)學(xué)物理模型，利用交替隱式差分方法進(jìn)行數(shù)值模擬，首次獲得了脈沖束流處理過程中的溫度場和應(yīng)力場的相關(guān)分布和相互耦合，并根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果解釋了表面熔坑、深層改性、塑性變形等重要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。我們采用非穩(wěn)態(tài)的熱力學(xué)方程對強(qiáng)流脈沖電子束表面改性的動(dòng)念過程給予了完整的物理描述，包括快速變化的溫度場、隨溫度場耦合變化的熱彈性應(yīng)力波、準(zhǔn)靜態(tài)熱應(yīng)力及其衍生出的沖擊熱應(yīng)力波、冷卻過程的應(yīng)力(淬火應(yīng)力)、以及殘余熱應(yīng)力等。在溫度場模擬計(jì)算中，我們首先通過實(shí)測數(shù)據(jù)
2、擬和了脈沖電壓和電子束功率隨時(shí)間變化的函數(shù)，并考慮了伴隨相變的熱傳導(dǎo)系數(shù)及比熱容等物理參數(shù)隨溫度的變化，對熔化過程采用了潛熱溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行處理。然后通過對鋁和鋼的溫度場和熔化過程的數(shù)值模擬，得到了脈沖處理過程中材料內(nèi)部的溫度場分布，并定量地給出了熔化深度(1—5p．m>、溫度變化速率(103一109K／s)、及溫度梯度(107108K／m)，同時(shí)給出了最先熔化的位置(1um左右)以及形成熔坑的最大深度(1-3gm)。首次揭示了亞表層率先升溫及熔化從而通過表層向外噴發(fā)的火山坑狀熔坑的形成機(jī)制。應(yīng)力產(chǎn)生及演化過程的數(shù)值模擬表明：在材料表面未熔
3、化的處理?xiàng)l件下，應(yīng)力狀態(tài)主要是材料表層隨溫度場變化的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力以及由表面向內(nèi)部傳播的熱彈性應(yīng)力波；材料表面熔化后，由于次表層先熔化而向外噴發(fā)的反沖作用，將導(dǎo)致沖擊熱應(yīng)力的產(chǎn)生并向材料內(nèi)部傳播；當(dāng)材料由于動(dòng)態(tài)屈服而出現(xiàn)塑性變形后，在冷卻過程中也會(huì)產(chǎn)生高幅值的應(yīng)力：且當(dāng)溫度降至室溫后在材料表層會(huì)留有殘余應(yīng)力。表面準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力以及冷卻過程中的應(yīng)力峰值可達(dá)到幾百M(fèi)Pa～幾個(gè)GPa的量級，而～般熱應(yīng)力波只有O．02～O．03MPa左右，只有沖擊熱應(yīng)力的峰值與準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力相當(dāng)。在材料表層的熱影響區(qū)內(nèi)，準(zhǔn)靜念應(yīng)力一般遠(yuǎn)大于其動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，材料將產(chǎn)生孿晶和位錯(cuò)滑
4、移型變形。冷卻過程的應(yīng)力和沖擊熱應(yīng)力也將導(dǎo)致材料發(fā)生塑性形變，其作用范圍超過了熱影響區(qū)。據(jù)此可以解釋實(shí)驗(yàn)中觀察到的幾種鋼材及純鋁材經(jīng)脈沖電子束處理后近表層出現(xiàn)的孿晶、位錯(cuò)增殖、滑移帶和表面微裂紋等塑性變形現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)測量顯示，經(jīng)脈沖電子束轟擊后的純鋁及鋼材，其截面顯微硬度值均呈現(xiàn)出特殊的振蕩式曲線分布i這種特殊的硬度分布顯然是由于沖擊熱應(yīng)力波在材料內(nèi)傳播，遇到界面產(chǎn)生反射和疊加而產(chǎn)生的；面多次輻照，則造成應(yīng)力波作用效果之陽J的相互疊加，呈現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)力分布狀態(tài)，使材料性能(主要是截面顯微硬度)也出現(xiàn)振蕩式分布形式。在材料深層觀察到的波紋線襯度和珠
5、光體的破碎現(xiàn)象，是沖擊應(yīng)力波存在的直接證據(jù)。關(guān)鍵詞：強(qiáng)流脈沖電子束：數(shù)值模擬；溫度場；應(yīng)力場：熔坑AbstractThisdissertationfocBsesonmechanismofmaterialsurfacemodificationinhighcurrentpulsedelectronbeam(HCPEB)processing．Basedonourphysicalmodelfortemperatureandstressfields，weresolvethetemperaturefieldandcoupleddynamicthermal
6、stressfieldintheprocessofmaterialsurfacemodificationbytheHCPEBbombardmentforthefirsttimebyanalternateimplicitdifferentialmethod．Thesenumericalsimulationresults．explainsatisfactorilycertainimportantexperimentalphenomenaassociatedwiththeHCPEBprocessingsuchasformationofsurface
7、craters，deepmodificationeffects，andplasticdeformations．Non·-linearandnon·-equilibriumthermodymanic-·mechanicalequationsareusedtofullydescribedynamicprocessesinducedbytheHCPEBbombardment，suchasthetransienttemperaturefieldandthecoupledtemperafure—dynamicthermalstressfield．Spe
8、cifically，quasi-staticstress，thermoelasticstress，shockstress，quenchingstress，andre
