強(qiáng)流脈沖電子束材料表面改性的二維數(shù)值模擬.pdf

1、本學(xué)位論文主要以純Al材料為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，研究強(qiáng)流脈沖電子束材料表面改性過(guò)程的機(jī)制和二維溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬。首先，我們采用瞬態(tài)的熱-力學(xué)方程對(duì)強(qiáng)流脈沖電子束表面改性的動(dòng)態(tài)過(guò)程給予了合理的物理描述，包括快速變化的溫度場(chǎng)、隨溫度場(chǎng)耦合變化的熱彈性應(yīng)力波、準(zhǔn)靜態(tài)熱應(yīng)力等。建立了樣品的二維溫度場(chǎng)和彈性范圍內(nèi)的熱應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)學(xué)物理模型，利用顯式有限中心差分法求解溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力場(chǎng)，并對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬，得到了不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)隨著材料表層的

2、徑向和軸向變化的相關(guān)分布。 在溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算中，提出圓柱形樣品的內(nèi)熱源處理方法，首先通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合了脈沖半高寬為0.8μs、電子束能量密度為3～4.5J/cm2、加速電壓為28KV的脈沖加速電壓和脈沖電子束功率的函數(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。在材料熔化過(guò)程中，采用溫度補(bǔ)償法處理潛熱的吸收和釋放。使用顯式差分法模擬溫度場(chǎng)，需要滿(mǎn)足一定的穩(wěn)定性條件。根據(jù)溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果，給出了最先熔化時(shí)刻0

3、.58μs、熔化深度大約為1.9μm等有關(guān)參數(shù)，揭示了電子束作用范圍及材料徑向和軸向的傳熱的變化情況。 我們還給出了電子束轟擊樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，熔化層厚度為1.4μm左右，可以知道，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果相結(jié)合，解釋了材料表層徑向溫度的分布特點(diǎn)。 假定材料沒(méi)有熔化，即在作用時(shí)間內(nèi)，材料只發(fā)生彈性變形不涉及熔化后的塑性變形，根據(jù)簡(jiǎn)化的熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)學(xué)物理模型，我們研究了在彈性限度內(nèi)熱應(yīng)力波的色散關(guān)