A Model of Crystallization Process Taking Into Account Phase Changes in Formation of a Metallic Material by Laser Fusion Method

Abstract

Суходоева Т.С., Каменских А.А., Максимов П.В. Модель процесса кристаллизации с учетом смены фаз при формировании металлического материала методом лазерного сплавления // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика.Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия О СТАТЬЕ АННОТАЦИЯ Получена: 25 декабря 2017 г. Принята: 26 февраля 2018 г. Опубликована: 30 марта 2018 г.Разрабатываемые теоретические основы моделей кристаллизующихся тел применяются в настоящий момент для моделирования технологического процесса селективного лазерного сплавления в части описания взаимодействия расплав-твердое тело и определения коробления тела вследствие появления остаточных напряжений в остывающей заготовке. При этом одной из актуальных задач области исследования является построение определяющих соотношений, позволяющих описывать взаимодействие расплавтвердое тело. В данной работе рассмотрено применение известных определяющих соотношений вязкоупругого растущего тела для затвердевающего металлического сплава. При этом процесс кристаллизации протекает в широком температурном диапазоне и сопровождается структурными изменениями. Под процессом кристаллизации понимается переход металлического материала из жидкого состояния в твердое. В рамках исследования рассмотрена общая постановка краевой задачи механики кристаллизующегося тела. Реализация определяющих соотношений, описывающих процесс кристаллизации, выполнена на двух задачах: задаче о неравномерном управляемом остывании стержня и задаче об остывании пластины, начиная с температуры выше точки плавления исследуемого материала. Таким образом, для одномерной и плоской постановок получены численные модели кристаллизации изотропных тел с учетом фазовых переходов на основе метода конечных элементов. Результаты применения метода конечных элементов на основе полученных новых определяющих соотношений не противоречат физике процесса кристаллизации и могут быть применены при моделировании процесса селективного лазерного сплавления металлических материалов с учетом смены фаз. Для каждой модельной задачи получены картины напряженно-деформированного состояния конструкции в целом: поля распределения перемещений, деформаций и напряжений. Также в рамках исследования выполнен анализ сходимости численного решения, проанализировано выполнение естественных граничных условий, получены поля температур и степени кристаллизации. © ПНИПУ Ключевые слова:кристаллизация, фазовые переходы, определяющие соотношения, численное решение, метод конечных элементов, расплав, механика кристаллизующегося тела, степень кристаллизации.  Суходоева ТатьянаTheoretical principles of models of crystallizing bodies being developed are now applied to model the technological process of selective laser welding regarding the description of interaction between "melt -solid body" and determining a body's buckling owing to emergence of residual stresses in a cooling down work piece. At the same time one of the relevant problems of the research is creating the d...