1.熱處理理論模擬計(jì)算
金屬材料熱處理是一門理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的科學(xué)，金屬物理、材料學(xué)、金屬學(xué)原理、金相學(xué)理論，從微觀結(jié)構(gòu)上深刻揭示了金屬內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)及其對(duì)材料性能的影響關(guān)系和熱處理時(shí)金相組織轉(zhuǎn)變規(guī)律的內(nèi)在機(jī)理。掌握金屬材料熱處理應(yīng)該首先從晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷入手，理解金屬材料熱處理加熱、保溫、冷卻階段組織轉(zhuǎn)變的內(nèi)在規(guī)律，才能真正認(rèn)識(shí)材料性能是怎樣發(fā)生變化的。牢牢把握四張圖，即鐵碳平衡相圖、冷卻曲線圖、力學(xué)拉伸性能、沖擊試驗(yàn)是解決熱處理問題的總鑰匙。
熱處理過程無非就是三個(gè)階段：加熱、保溫、降溫。根據(jù)三個(gè)階段不同的條件，可區(qū)分不同熱處理工藝。用物理學(xué)、化學(xué)、熱力學(xué)、物理化學(xué)等方法去解釋熱處理過程并解決熱處理問題，物理學(xué)的終極抽象是數(shù)學(xué)，數(shù)學(xué)的終極概括是哲學(xué)，哲學(xué)思想主要應(yīng)用于技術(shù)管理的方法，解決自然科學(xué)技術(shù)問題的終極理論工具是數(shù)學(xué)。工程科學(xué)的抽象化技術(shù)問題的理論化最終就轉(zhuǎn)變成數(shù)學(xué)問題。數(shù)學(xué)問題的有解還是無解取決于具體問題下的物理含義能否清晰準(zhǔn)確地輸入及對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)模型能否有效地建立。熱處理問題的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、化學(xué)擴(kuò)散等及熱處理工藝性能與力學(xué)性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系都有相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，熱處理數(shù)據(jù)手冊(cè)總結(jié)了大量的材料化學(xué)成分及工藝條件與熱處理力學(xué)性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中這些理論計(jì)算由于某一環(huán)節(jié)的函數(shù)關(guān)系過于高深，或很多實(shí)際邊界條件難以定義而不能解決。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)一方面解決了復(fù)雜運(yùn)算的計(jì)算問題，另一方面實(shí)際邊界條件可以默認(rèn)成理想條件或借鑒前人統(tǒng)計(jì)分析的歷史數(shù)據(jù)或前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式而輸入，這樣就為計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。人類探索從無知到可知，計(jì)算機(jī)模擬理論計(jì)算幫助我們解決從可知到已知，理論模擬計(jì)算前景很誘人，國內(nèi)外興起的熱處理模擬計(jì)算在近二三十年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用而得到較大的發(fā)展。
2.熱處理理論模擬計(jì)算的已知條件及結(jié)果
任何熱處理理論模擬計(jì)算軟件的正向推導(dǎo)過程都是需要有條件輸入才能有結(jié)果輸出。根據(jù)已知條件如鋼材牌號(hào)、零件大小尺寸及工藝選擇條件，溫度、時(shí)間、氣氛、淬火冷卻介質(zhì)等，然后軟件建立三維模型，根據(jù)內(nèi)置的算法表格、方程結(jié)構(gòu)、偏微分方程式組、序列和矩陣操作等自動(dòng)輸出計(jì)算結(jié)果。
從圖1的Somme索默熱處理數(shù)據(jù)庫模擬計(jì)算軟件中可看出，只要輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括鋼材牌號(hào)，再輸入實(shí)際條件參數(shù)，如零件尺寸大小、淬火介質(zhì)、淬火溫度等，模擬軟件可直接輸出結(jié)果，能夠去比較印證與熱處理技術(shù)要求是否符合。如有偏離可重新輸入工藝過程參數(shù)和材料條件進(jìn)行結(jié)果修正，從而為正確選材、確定基礎(chǔ)試驗(yàn)工藝參數(shù)提供重要參考。
圖 1 Sommer索默熱處理數(shù)據(jù)庫模擬計(jì)算
3.熱處理理論模擬計(jì)算在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用意義
工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中新材料正向開發(fā)是根據(jù)零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度材料分析，決定采用什么材料及開發(fā)何種熱處理工藝，輔以金相檢驗(yàn)及失效分析，這個(gè)過程先要知道材料性能要求，然后再考慮用什么材料，采用什么工藝，與上面軟件模擬計(jì)算中首先知道材料和熱處理工藝參數(shù)，然后計(jì)算出材料力學(xué)性能恰恰是相反的過程，因而熱處理模擬計(jì)算軟件實(shí)際上是積累了海量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，能夠?qū)崿F(xiàn)正反向相互推演耦合計(jì)算。
熱處理理論模擬計(jì)算軟件建立了條件與結(jié)果的眾多復(fù)雜對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)全部條件輸入后軟件可以自動(dòng)輸出結(jié)果，當(dāng)其他條件和結(jié)果輸入后軟件也能夠輸出某一個(gè)或某一組條件。這樣在新材料或新工藝出現(xiàn)的時(shí)候，相似材料和相近工藝的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以模擬出計(jì)算所需要的條件，材料工程師能夠模擬分析新材料的各類性能；機(jī)械設(shè)計(jì)師能夠根據(jù)零件結(jié)構(gòu)及選擇金屬材料后提出熱處理性能技術(shù)要求，同時(shí)可以反向進(jìn)行材料結(jié)構(gòu)驗(yàn)證分析；熱處理工程師可以根據(jù)材料及使用力學(xué)性能，優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)；金相工程師可以分析金相組織，鑒別缺陷，為FMEA失效模式分析提出重要意見。熱處理軟件模擬計(jì)算實(shí)際上是集成了材料工程師、機(jī)械設(shè)計(jì)師、熱處理工程師、金相工程師在零部件性能方面的全部工作，整合這些工程師在材料功能方面工作的協(xié)作，相當(dāng)于集技術(shù)管理之大成。
4.熱處理理論模擬計(jì)算在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用方法
工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中零件設(shè)計(jì)師往往首先是根據(jù)零件服役條件決定零件的使用力學(xué)性能，與材料工程師討論后決定使用材料，然后在產(chǎn)品圖樣上標(biāo)注出材料與零件的力學(xué)性能，熱處理工程師需要反向推導(dǎo)采用什么樣的熱處理工藝去滿足零件的力學(xué)性能要求。
熱處理數(shù)據(jù)手冊(cè)里積累了大量的關(guān)于熱處理性能指標(biāo)（表面硬度、滲碳層深度、有效硬化層深度、心部硬度等）、熱處理工藝參數(shù)（溫度、時(shí)間、碳勢(shì)等）、原材料化學(xué)成分（含碳量、合金元素的含量及比例關(guān)系等）及狀態(tài)（晶粒度、金相組織、夾雜物、探傷等）的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式，這些數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式是計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的基礎(chǔ)，這類理論計(jì)算結(jié)果也相對(duì)可靠，國外很多設(shè)備供應(yīng)商配備的模擬計(jì)算軟件多數(shù)屬于此類性質(zhì)。熱變形的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累比較少，熱變形模擬計(jì)算軟件通常從純理論出發(fā)，已知條件不足時(shí)把理想狀態(tài)默認(rèn)為計(jì)算條件，計(jì)算過程相當(dāng)復(fù)雜，應(yīng)力應(yīng)變是張量，相互作用，應(yīng)力引起應(yīng)變，應(yīng)變反過來又影響應(yīng)力的變化，反復(fù)耦合計(jì)算出現(xiàn)結(jié)果偏差再進(jìn)行補(bǔ)償修正，因而熱變形理論計(jì)算還有很大的改進(jìn)空間。熱變形的本質(zhì)是應(yīng)力的作用，包括熱應(yīng)力與組織應(yīng)力，應(yīng)力引起應(yīng)變，溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)相互作用反復(fù)迭代，圖2溫度-相變-應(yīng)力應(yīng)變相互耦合的非線性計(jì)算示意是在《熱處理手冊(cè)》中給出的，從中可看出熱變形計(jì)算的復(fù)雜性。還有一類應(yīng)用面更大的計(jì)算軟件不屬于熱處理理論模擬計(jì)算范疇，但可借用其方法工具用來解決實(shí)際熱處理問題。
圖2 溫度-相變-應(yīng)力應(yīng)變相互耦合非線性計(jì)算示意
5.熱處理理論模擬計(jì)算軟件
下面簡(jiǎn)單介紹幾種熱處理理論模擬計(jì)算軟件或軟件內(nèi)置單元模塊，這些軟件都在一定范圍內(nèi)獨(dú)立得到應(yīng)用或應(yīng)用于綜合計(jì)算系統(tǒng)之中。
通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD繪圖運(yùn)用CAM技術(shù)把現(xiàn)實(shí)世界的物體及其屬性用3D可視化方法直觀地顯示外觀形狀和尺寸，物體屬性如密度、表面積、重量、任意兩點(diǎn)之間距離等可數(shù)字化表示、分析、控制和輸出，3D宏觀圖形繪制軟件如Solidworks、Pro-Engineer、UG（Unigraphics NX）、CATIA等常用于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，這樣就能夠在計(jì)算機(jī)里面清晰地建立了一個(gè)人性化、可視化的虛擬實(shí)體。有限元分析利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)（幾何實(shí)體與工況受載）進(jìn)行模擬受力分析與力學(xué)計(jì)算被證明為非常有效的數(shù)值分析方法，這一方法應(yīng)用于零件設(shè)計(jì)師進(jìn)行材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與力學(xué)分析中。圖3是ANSYS有限元分析軟件FEA（FiniteElement Analysis）的界面。
圖3 ANSYS有限元分析軟件
熱處理理論模擬計(jì)算軟件還深入到金屬微觀結(jié)構(gòu)分析中，在晶體結(jié)構(gòu)、分子原子結(jié)構(gòu)不同層面得到運(yùn)用。如XRD分析軟件MDI Jade能夠完成晶粒結(jié)構(gòu)層面上的一般各種物相定性和定量分析的工作；AvantageXPS數(shù)據(jù)分析與處理軟件能夠?qū)Τ哟ㄐ蛳鄬?duì)厚度作圖、計(jì)算，深度剖析與校準(zhǔn)。LabSpec具有數(shù)據(jù)采集、處理、分析和數(shù)據(jù)顯示，以及靈活的自動(dòng)化功能；OMNIC軟件是FT-IR光譜的一個(gè)從采集紅外光譜到進(jìn)行定量分析的高級(jí)軟件包；TAUniversalAnalysis軟件可以分析來自各種熱分析儀器的數(shù)據(jù)；HSCChemistry是世界上最受歡迎的熱力學(xué)計(jì)算軟件，對(duì)于溫度場(chǎng)傳熱計(jì)算和滲碳擴(kuò)散運(yùn)算極其方便；DigitalMicrograph是一個(gè)用于透射電鏡數(shù)據(jù)采集和分析的軟件，能夠深入分析晶體亞結(jié)構(gòu)；NanoMeasure是一個(gè)根據(jù)材料表征的SEM或TEM等圖片能夠標(biāo)定尺寸及粒徑分布的簡(jiǎn)單便捷的軟件；Findit是基于無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（簡(jiǎn)稱ICSD）的晶體結(jié)構(gòu)檢索軟件，是國際最權(quán)威的無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫；CalculateXRD &d_value可以在晶體結(jié)構(gòu)分析中進(jìn)行晶面間距和面網(wǎng)指數(shù)等相關(guān)信息的查詢和計(jì)算；ATOMS是用來繪制晶體結(jié)構(gòu)的軟件；Hyperchem可通過3D對(duì)量子化學(xué)進(jìn)行一個(gè)全面計(jì)算的分子模擬軟件；ChemDraw是包括繪制化學(xué)結(jié)構(gòu)及反應(yīng)式，并且可以獲得相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)、系統(tǒng)命名及光譜數(shù)據(jù)，很容易地繪制出高質(zhì)量的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖形的專業(yè)的化學(xué)結(jié)構(gòu)繪制工具；Diamond可以畫出晶體結(jié)構(gòu)的球棍模型圖、密堆積、線形圖、熱橢球圖和立體圖，也可以用于晶體局部結(jié)構(gòu)的繪制、編輯的化學(xué)軟件；CrystalMaker是晶體和分子結(jié)構(gòu)可視化的晶體結(jié)構(gòu)建模分析軟件；Materials Explorer是一個(gè)立足于Windows平臺(tái)的多功能分子動(dòng)力學(xué)軟件，能夠方便地建立三維結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)各種晶體、無定型以及高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過程進(jìn)行深入的研究；Materials Studio具有多種先進(jìn)算法的綜合應(yīng)用，無論結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能預(yù)測(cè)和X射線衍射分析，以及復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模擬和量子力學(xué)計(jì)算，都可以得到切實(shí)可靠的數(shù)據(jù)；CorelDRAW專業(yè)圖形設(shè)計(jì)軟件專用于矢量圖形編輯與排版；Origin是具有兩大主要功能包括數(shù)據(jù)分析和科學(xué)繪圖的軟件；SHAPE是繪制部分的晶體并能夠繪制任何單晶和大多數(shù)雙胞胎和外延共生的晶體形貌模擬軟件；FlexPDE是可獲得偏微分方程的數(shù)值解的偏微分方程有限元軟件。
熱處理工藝模擬計(jì)算軟件，國內(nèi)外很多設(shè)備供應(yīng)商現(xiàn)在都可以做到這一點(diǎn)，主要是軟件內(nèi)置基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和經(jīng)驗(yàn)公式和算法表格，輸入相應(yīng)的材料、工藝條件，軟件能夠自動(dòng)計(jì)算和查表直接輸出結(jié)論，可以作為編制熱處理基礎(chǔ)工藝的工具，再經(jīng)過小批量試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行補(bǔ)償修正，最后鎖定固化成正式工藝。圖4是Aichelin愛協(xié)林離線仿真計(jì)算的一個(gè)例子。
圖 4 Aichelin愛協(xié)林離線仿真計(jì)算
熱變形的理論計(jì)算模擬軟件是熱點(diǎn)也是難點(diǎn)，因?yàn)闊嶙冃问抢_熱處理工作者的重大問題，所以相應(yīng)的理論研究會(huì)成為熱點(diǎn)，熱變形問題的復(fù)雜性涉及材料、工藝、性能、組織幾大模塊的互交影響和同一模塊內(nèi)不同影響因素或并列或遞進(jìn)的相互糾纏作用，計(jì)算步驟多，計(jì)算過程繁，數(shù)學(xué)計(jì)算模型相當(dāng)復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)性仍有一定的改進(jìn)空間。
數(shù)學(xué)模型是分析和優(yōu)化熱處理工藝的有效工具，在輸入一組參數(shù)（如材料、尺寸，工藝過程如溫度、碳勢(shì)、時(shí)間等參數(shù)）后，模擬預(yù)測(cè)實(shí)際生產(chǎn)的質(zhì)量控制參數(shù)（如滲層深度、顯微組織、硬度和變形）。熱處理建模有確定的解，即每一組條件得到唯一解。一種能反應(yīng)批次間工藝參數(shù)變化，特別是溫度和碳勢(shì)的概率處理方法在工業(yè)滲碳工藝得到應(yīng)用。美國金屬學(xué)會(huì)提供了一種熱處理工藝過程建模與設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，該方法通過捕獲過程和質(zhì)量的變化，可提供一個(gè)優(yōu)化工藝流程更可靠的方法，圖5是FDM有限差分法在滲碳工藝過程的具體應(yīng)用。
圖 5 FDM有限差分法
圖6以有限元分析（FEA）為基礎(chǔ)建立滲碳過程綜合模型，采用該模型對(duì)滲碳過程中的溫度、顯微組織、金相組織結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力和變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。采用相關(guān)文獻(xiàn)資料中的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和實(shí)際參數(shù)對(duì)該模型進(jìn)行了廣泛驗(yàn)證。該模型可以研究在滲碳期間由于化學(xué)成分的波動(dòng)而引起的變形波動(dòng)，同時(shí)也提供一個(gè)減少變形波動(dòng)和絕對(duì)變形的方法。
圖6 滲碳過程綜合模型
6.綜合計(jì)算材料工程和設(shè)計(jì)優(yōu)化
熱處理材料數(shù)據(jù)庫中的材料性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)條件數(shù)據(jù)是熱處理理論模擬計(jì)算的基石，這些大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)很容易存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里面，而且可以不斷添加新的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
作為計(jì)算條件，經(jīng)典的熱處理計(jì)算公式也是前人經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，同樣會(huì)為熱處理理論模擬計(jì)算所借鑒和引用。模擬軟件只是把這些經(jīng)驗(yàn)公式內(nèi)置于軟件的運(yùn)算單元之中。
由于傳統(tǒng)熱力學(xué)、化學(xué)擴(kuò)散、物理、數(shù)學(xué)運(yùn)算法則內(nèi)置于軟件的運(yùn)算單元模塊之中，滲碳層深度、有效硬化層深度、表面碳濃度、表面硬度和不同深度位置的淬火硬度的計(jì)算都能夠得到較精確的計(jì)算結(jié)果，這種計(jì)算相當(dāng)于把以前工程師的計(jì)算工作交給計(jì)算機(jī)去做，模擬計(jì)算與生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果符合度非常好。熱處理變形的復(fù)雜性使得其模擬計(jì)算的精確度還有待提高，實(shí)際上工程師們和科學(xué)家們對(duì)于熱變形的計(jì)算也做得很少或還只停留在某個(gè)具體的簡(jiǎn)單問題的計(jì)算上面。
綜合計(jì)算材料工程能夠減少開發(fā)材料體系和編制工藝的時(shí)間和成本，與材料設(shè)計(jì)試錯(cuò)法不同的是其計(jì)算方法采用了數(shù)據(jù)庫和數(shù)學(xué)模型，在優(yōu)化的框圖內(nèi)采用的數(shù)據(jù)庫熱力學(xué)合金設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫和能夠預(yù)測(cè)力學(xué)性能變化的制造模型模擬，代替試錯(cuò)法的反復(fù)嘗試和重復(fù)試驗(yàn)，這種方法使用虛擬模擬，在要求的生產(chǎn)過程、成本、環(huán)境和壽命的約束條件下，高效率地產(chǎn)出滿足性能競(jìng)爭(zhēng)需求的材料。圖7是設(shè)計(jì)優(yōu)化綜合框圖，采用FEA有限元分析方法。
圖7 設(shè)計(jì)優(yōu)化綜合框圖
熱處理理論模擬計(jì)算是建立在科學(xué)規(guī)律的提煉和經(jīng)驗(yàn)公式的總結(jié)之上，再加上大量試驗(yàn)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐，理論計(jì)算的精確度還是很高的，基本上可以滿足日常工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的需要。然而由于有些情況下計(jì)算采用默認(rèn)的理想條件與實(shí)際條件存在偏差，需要根據(jù)實(shí)際結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償修訂。另外，有些新材料屬特殊鋼種，未必符合已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，在這種情況下，需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果實(shí)事求是地進(jìn)行補(bǔ)充完善數(shù)據(jù)庫，從而為以后計(jì)算精度的提高做出努力。
通過上面的分析我們已經(jīng)知道熱處理理論模擬計(jì)算可以在人類認(rèn)識(shí)熱處理規(guī)律從可知到已知的過程中提供極大幫助，卻在從未知到可知的過程中還需要熱處理工作者繼續(xù)做出探索性的研究。
作者：王陸軍、張民，寧波上中下自動(dòng)變速器有限公司
王瑞平，浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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