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强流脉冲离子束辐照45~#钢靶表面热力学效应数值模拟

作　者: 万柄男
导　师: 张罡
学　校: 沈阳理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 强流脉冲离子束热力学效应表面改性 ABAQUS
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

强流脉冲离子束(HIPIB: High Intensity Pulsed Ion Beams)表面改性技术是利用高能束流辐照材料表面时,瞬间内在材料表面沉积高密度能量,引起材料表面快速加热和快速冷却,在表面快速熔化,汽化的同时,在材料表面及内部还产生热应力与冲击波,导致材料表面相结构、显微结构、表层硬度、耐磨性和耐蚀性等变化。由于其自身的诸多优点,该技术在材料领域越来越受到重视。为了揭示强流脉冲离子束辐照材料表面的热力学效应,在研究离子束与物质相互作用的基础上,计算不同离子在材料表面的能量沉积分布,并建立了离子束与靶材相互作用的理论模型。在建立了热力学效应方程的基础上,运用ABAQUS有限元软件,对靶材在不同能量参数下的HIPIB辐照进行热力学效应的模拟计算。通过比较,建立了以单元死活表征汽化材料的加载方式来模拟HIPIB辐照靶材表面。模拟计算了离子束与钢靶相互作用的热力学效应,得到了温度场分布、温度梯度分布,以及应力与应力波传播过程的模拟计算结果,结果表明辐照后材料表面在极短时间内发生了剧烈的温度与应力变化。束流密度是影响靶材表层材料升温速率的主要因素,而脉冲电压对升温速率的影响并不明显;同时束流密度的增大可以使靶材表层在辐照方向得到较高的温度梯度;当HIPIB能量较高时,靶材表层和内部材料几乎同时发生汽化,并伴随剧烈的应力变化,在靶材表面形成蚀坑。通过实验分析得出,在HIPIB辐照后,靶材表面出现蜂窝状重熔形貌,其显微硬度显著提高,验证了模拟结果与实验现象相吻合。随着脉冲次数的增加表面表现出不同的形貌差异。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-11
第1章绪论  11-23
  1.1 强流脉冲离子束介绍  11-13
  1.2 强流脉冲离子束的工作原理简介  13-15
  1.3 强流脉冲离子束的研究现状  15-21
  1.4 本文研究目的、内容和意义  21-23
    1.4.1 研究目的  21
    1.4.2 研究内容  21-22
    1.4.3 研究意义  22-23
第2章离子束材料改性过程的数学物理基础  23-34
  2.1 离子束与物质的相互作用  23-26
    2.1.1 离子与电子的相互作用  23-24
    2.1.2 离子与原子核的相互作用  24
    2.1.3 离子在材料中的射程分布  24-26
  2.2 强流脉冲离子在材料中能量沉积分布  26-27
  2.3 HIPIB 辐照传热方程  27-28
  2.4 HIPIB 辐照热力学效应方程  28-29
  2.5 ABAQUS 软件简介  29-30
  2.6 有限元计算模型的建立  30-33
    2.6.1 建模  30-31
    2.6.2 对单元死活算法的精确性分析  31-33
  2.7 小结  33-34
第3章 HIPIB 辐照45~#钢热力学效应计算结果与讨论  34-55
  3.1 HIPIB 辐照45~#钢的热学效应分析  34-49
    3.1.1 温度随时间变化计算与分析  34-43
    3.1.2 温度空间分布的计算与分析  43-49
  3.2 HIPIB 辐照45~#钢的力学效应分析  49-53
    3.2.1 热应力随时间变化的计算与分析  49-50
    3.2.2 热应力空间分布计算与分析  50-53
  3.3 小结  53-55
第4章 HIPIB 辐照45~#钢的实验研究  55-63
  4.1 试验材料  55
  4.2 HIPIB 工艺参数  55-56
  4.3 试验步骤  56
  4.4 实验结果分析  56-62
    4.4.1 SEM 表面形貌及析出相  56-59
    4.4.2 辐照试样横截面形貌  59-60
    4.4.3 辐照试样显微硬度与表面组织结构的关系  60-62
  4.5 小结  62-63
结论  63-65
参考文献  65-70
攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果  70-71
致谢  71

强流脉冲离子束辐照45~#钢靶表面热力学效应数值模拟

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