强流脉冲电子束材料改性机制及数值模拟

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1、摘要本学位论文主要研究强流脉冲电子束材料表面改性的物理过程与主要机理。我们建立了这个过程中温度场与应力场的数学物理模型，利用交替隐式差分方法进行数值模拟，首次获得了脉冲束流处理过程中的温度场和应力场的相关分布和相互耦合，并根据数值计算结果解释了表面熔坑、深层改性、塑性变形等重要实验现象。我们采用非稳态的热力学方程对强流脉冲电子束表面改性的动念过程给予了完整的物理描述，包括快速变化的温度场、随温度场耦合变化的热弹性应力波、准静态热应力及其衍生出的冲击热应力波、冷却过程的应力(淬火应力)、以及残余热应力等。在温度场模拟计算中，我们首先通过实测数据

2、拟和了脉冲电压和电子束功率随时间变化的函数，并考虑了伴随相变的热传导系数及比热容等物理参数随温度的变化，对熔化过程采用了潜热温度补偿的方法进行处理。然后通过对铝和钢的温度场和熔化过程的数值模拟，得到了脉冲处理过程中材料内部的温度场分布，并定量地给出了熔化深度(1—5p．m>、温度变化速率(103一109K／s)、及温度梯度(107108K／m)，同时给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)。首次揭示了亚表层率先升温及熔化从而通过表层向外喷发的火山坑状熔坑的形成机制。应力产生及演化过程的数值模拟表明：在材料表面未熔

3、化的处理条件下，应力状态主要是材料表层随温度场变化的准静态应力以及由表面向内部传播的热弹性应力波；材料表面熔化后，由于次表层先熔化而向外喷发的反冲作用，将导致冲击热应力的产生并向材料内部传播；当材料由于动态屈服而出现塑性变形后，在冷却过程中也会产生高幅值的应力：且当温度降至室温后在材料表层会留有残余应力。表面准静态应力以及冷却过程中的应力峰值可达到几百MPa～几个GPa的量级，而～般热应力波只有O．02～O．03MPa左右，只有冲击热应力的峰值与准静态应力相当。在材料表层的热影响区内，准静念应力一般远大于其动态屈服强度，材料将产生孪晶和位错滑

4、移型变形。冷却过程的应力和冲击热应力也将导致材料发生塑性形变，其作用范围超过了热影响区。据此可以解释实验中观察到的几种钢材及纯铝材经脉冲电子束处理后近表层出现的孪晶、位错增殖、滑移带和表面微裂纹等塑性变形现象。实验测量显示，经脉冲电子束轰击后的纯铝及钢材，其截面显微硬度值均呈现出特殊的振荡式曲线分布i这种特殊的硬度分布显然是由于冲击热应力波在材料内传播，遇到界面产生反射和叠加而产生的；面多次辐照，则造成应力波作用效果之阳J的相互叠加，呈现复杂的应力分布状态，使材料性能(主要是截面显微硬度)也出现振荡式分布形式。在材料深层观察到的波纹线衬度和珠

5、光体的破碎现象，是冲击应力波存在的直接证据。关键词：强流脉冲电子束：数值模拟；温度场；应力场：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