1.熱處理理論模擬計算
金屬材料熱處理是一門理論性與實踐性都很強的科學(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)及其對材料性能的影響關(guān)系和熱處理時金相組織轉(zhuǎn)變規(guī)律的內(nèi)在機理。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，才能真正認識材料性能是怎樣發(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、沖擊試驗是解決熱處理問題的總鑰匙。
熱處理過程無非就是三個階段：加熱、保溫、降溫。根據(jù)三個階段不同的條件，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)確地輸入及對應(yīng)數(shù)學(xué)模型能否有效地建立。熱處理問題的溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場、化學(xué)擴散等及熱處理工藝性能與力學(xué)性能的對應(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)性能的對應(yīng)關(guān)系，工業(yè)生產(chǎn)實踐中這些理論計算由于某一環(huán)節(jié)的函數(shù)關(guān)系過于高深，或很多實際邊界條件難以定義而不能解決。計算機的出現(xiàn)一方面解決了復(fù)雜運算的計算問題，另一方面實際邊界條件可以默認成理想條件或借鑒前人統(tǒng)計分析的歷史數(shù)據(jù)或前人總結(jié)的經(jīng)驗公式而輸入，這樣就為計算機模擬計算奠定了基礎(chǔ)。人類探索從無知到可知，計算機模擬理論計算幫助我們解決從可知到已知，理論模擬計算前景很誘人，國內(nèi)外興起的熱處理模擬計算在近二三十年隨著計算機技術(shù)的應(yīng)用而得到較大的發(fā)展。
2.熱處理理論模擬計算的已知條件及結(jié)果
任何熱處理理論模擬計算軟件的正向推導(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、零件大小尺寸及工藝選擇條件，溫度、時間、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輸出計算結(jié)果。
從圖1的Somme索默熱處理數(shù)據(jù)庫模擬計算軟件中可看出，只要輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括鋼材牌號，再輸入實際條件參數(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)和材料條件進行結(jié)果修正，從而為正確選材、確定基礎(chǔ)試驗工藝參數(shù)提供重要參考。
圖 1 Sommer索默熱處理數(shù)據(jù)庫模擬計算
3.熱處理理論模擬計算在工業(yè)生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用意義
工業(yè)生產(chǎn)實踐中新材料正向開發(fā)是根據(jù)零部件結(jié)構(gòu)強度材料分析，決定采用什么材料及開發(fā)何種熱處理工藝，輔以金相檢驗及失效分析，這個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，與上面軟件模擬計算中首先知道材料和熱處理工藝參數(shù)，然后計算出材料力學(xué)性能恰恰是相反的過程，因而熱處理模擬計算軟件實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算。
熱處理理論模擬計算軟件建立了條件與結(jié)果的眾多復(fù)雜對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)全部條件輸入后軟件可以自動輸出結(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或某一組條件。這樣在新材料或新工藝出現(xiàn)的時候，相似材料和相近工藝的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以模擬出計算所需要的條件，材料工程師能夠模擬分析新材料的各類性能；機械設(shè)計師能夠根據(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，同時可以反向進行材料結(jié)構(gòu)驗證分析；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。熱處理軟件模擬計算實際上是集成了材料工程師、機械設(shè)計師、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.熱處理理論模擬計算在工業(yè)生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用方法
工業(yè)生產(chǎn)實踐中零件設(shè)計師往往首先是根據(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、時間、碳勢等）、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）的對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式，這些數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式是計算機模擬計算的基礎(chǔ)，這類理論計算結(jié)果也相對可靠，國外很多設(shè)備供應(yīng)商配備的模擬計算軟件多數(shù)屬于此類性質(zhì)。熱變形的經(jīng)驗數(shù)據(jù)的積累比較少，熱變形模擬計算軟件通常從純理論出發(fā)，已知條件不足時把理想狀態(tài)默認為計算條件，計算過程相當(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)耦合計算出現(xiàn)結(jié)果偏差再進行補償修正，因而熱變形理論計算還有很大的改進空間。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、組織場、應(yīng)力場相互作用反復(fù)迭代，圖2溫度-相變-應(yīng)力應(yīng)變相互耦合的非線性計算示意是在《熱處理手冊》中給出的，從中可看出熱變形計算的復(fù)雜性。還有一類應(yīng)用面更大的計算軟件不屬于熱處理理論模擬計算范疇，但可借用其方法工具用來解決實際熱處理問題。
圖2 溫度-相變-應(yīng)力應(yīng)變相互耦合非線性計算示意
5.熱處理理論模擬計算軟件
下面簡單介紹幾種熱處理理論模擬計算軟件或軟件內(nèi)置單元模塊，這些軟件都在一定范圍內(nèi)獨立得到應(yīng)用或應(yīng)用于綜合計算系統(tǒng)之中。
通過計算機輔助設(shè)計CAD繪圖運用CAM技術(shù)把現(xiàn)實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等常用于機構(gòu)設(shè)計中，這樣就能夠在計算機里面清晰地建立了一個人性化、可視化的虛擬實體。有限元分析利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實的物理系統(tǒng)（幾何實體與工況受載）進行模擬受力分析與力學(xué)計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)計師進行材料結(jié)構(gòu)強度設(shè)計與力學(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蛳鄬穸茸鲌D、計算，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，以及靈活的自動化功能；OMNIC軟件是FT-IR光譜的一個從采集紅外光譜到進行定量分析的高級軟件包；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)計算軟件，對于溫度場傳熱計算和滲碳擴散運算極其方便；DigitalMicrograph是一個用于透射電鏡數(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單便捷的軟件；Findit是基于無機晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（簡稱ICSD）的晶體結(jié)構(gòu)檢索軟件，是國際最權(quán)威的無機晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫；CalculateXRD &d_value可以在晶體結(jié)構(gòu)分析中進行晶面間距和面網(wǎng)指數(shù)等相關(guān)信息的查詢和計算；ATOMS是用來繪制晶體結(jié)構(gòu)的軟件；Hyperchem可通過3D對量子化學(xué)進行一個全面計算的分子模擬軟件；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是一個立足于Windows平臺的多功能分子動力學(xué)軟件，能夠方便地建立三維結(jié)構(gòu)模型，并對各種晶體、無定型以及高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過程進行深入的研究；Materials Studio具有多種先進算法的綜合應(yīng)用，無論結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能預(yù)測和X射線衍射分析，以及復(fù)雜的動力學(xué)模擬和量子力學(xué)計算，都可以得到切實可靠的數(shù)據(jù)；CorelDRAW專業(yè)圖形設(shè)計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，主要是軟件內(nèi)置基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和經(jīng)驗公式和算法表格，輸入相應(yīng)的材料、工藝條件，軟件能夠自動計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)過小批量試驗驗證進行補償修正，最后鎖定固化成正式工藝。圖4是Aichelin愛協(xié)林離線仿真計算的一個例子。
圖 4 Aichelin愛協(xié)林離線仿真計算
熱變形的理論計算模擬軟件是熱點也是難點，因為熱變形是困擾熱處理工作者的重大問題，所以相應(yīng)的理論研究會成為熱點，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的相互糾纏作用，計算步驟多，計算過程繁，數(shù)學(xué)計算模型相當(dāng)復(fù)雜，計算結(jié)果精準(zhǔn)性仍有一定的改進空間。
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、時間等參數(shù)）后，模擬預(yù)測實際生產(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)會提供了一種熱處理工藝過程建模與設(shè)計優(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)力和變形進行預(yù)測。采用相關(guān)文獻資料中的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和實際參數(shù)對該模型進行了廣泛驗證。該模型可以研究在滲碳期間由于化學(xué)成分的波動而引起的變形波動，同時也提供一個減少變形波動和絕對變形的方法。
圖6 滲碳過程綜合模型
6.綜合計算材料工程和設(shè)計優(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算的基石，這些大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)很容易存儲在計算機里面，而且可以不斷添加新的試驗數(shù)據(jù)。
作為計算條件，經(jīng)典的熱處理計算公式也是前人經(jīng)驗的總結(jié)，同樣會為熱處理理論模擬計算所借鑒和引用。模擬軟件只是把這些經(jīng)驗公式內(nèi)置于軟件的運算單元之中。
由于傳統(tǒng)熱力學(xué)、化學(xué)擴散、物理、數(shù)學(xué)運算法則內(nèi)置于軟件的運算單元模塊之中，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算都能夠得到較精確的計算結(jié)果，這種計算相當(dāng)于把以前工程師的計算工作交給計算機去做，模擬計算與生產(chǎn)實踐結(jié)果符合度非常好。熱處理變形的復(fù)雜性使得其模擬計算的精確度還有待提高，實際上工程師們和科學(xué)家們對于熱變形的計算也做得很少或還只停留在某個具體的簡單問題的計算上面。
綜合計算材料工程能夠減少開發(fā)材料體系和編制工藝的時間和成本，與材料設(shè)計試錯法不同的是其計算方法采用了數(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)計數(shù)據(jù)庫和能夠預(yù)測力學(xué)性能變化的制造模型模擬，代替試錯法的反復(fù)嘗試和重復(fù)試驗，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)出滿足性能競爭需求的材料。圖7是設(shè)計優(yōu)化綜合框圖，采用FEA有限元分析方法。
圖7 設(shè)計優(yōu)化綜合框圖
熱處理理論模擬計算是建立在科學(xué)規(guī)律的提煉和經(jīng)驗公式的總結(jié)之上，再加上大量試驗驗數(shù)據(jù)的支撐，理論計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)實踐的需要。然而由于有些情況下計算采用默認的理想條件與實際條件存在偏差，需要根據(jù)實際結(jié)果進行補償修訂。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)試驗結(jié)果實事求是地進行補充完善數(shù)據(jù)庫，從而為以后計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算可以在人類認識熱處理規(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，寧波上中下自動變速器有限公司
王瑞平，浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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