热处理理论模拟计算及其在工业实践中应用.PDF

热热处处理理理理论论模模拟拟计计算算及及其其在在工工业业实实践践中中应应用用 Via 常州精密钢管博客 1.热热处处理理理理论论模模拟拟计计算算 金属材料热处理是 门理论性与实践性都很强的科学 ，金属物理 、材料学 、金属学原理 、金相学理论 ，从 微观结构上深刻揭示了金属内部的晶体结构及其对材料性能的影响关系和热处理时金相组织转变规律的内在机 理 。掌握金属材料热处理应该首先从晶体结构与晶体缺陷入手 ，理解金属材料热处理加热 、保温 、冷却阶段组 织转变的内在规律 ，才能真正认识材料性能是怎样发生变化的 。牢牢把握四张图 ，即铁碳平衡相图 、冷却曲线 图 、力学拉伸性能 、冲击试验是解决热处理问题的总钥匙 。 热处理过程无非就是三个阶段 ：加热 、保温 、降温 。根据三个阶段不同的条件 ，可区分不同热处理工 艺 。用物理学 、化学 、热力学 、物理化学等方法去解释热处理过程并解决热处理问题 ，物理学的终极抽象是数 学 ，数学的终极概括是哲学 ，哲学思想主要应用于技术管理的方法 ，解决自然科学技术问题的终极理论工具是 数学 。工程科学的抽象化技术问题的理论化最终就转变成数学问题 。数学问题的有解还是无解取决于具体问题 下的物理含义能否清晰准确地输入及对应数学模型能否有效地建立 。热处理问题的温度场 、应力场 、应变场 、 化学扩散等及热处理工艺性能与力学性能的对应关系都有相应的数学模型 ，热处理数据手册总结了大量的材料 化学成分及工艺条件与热处理力学性能的对应关系 ，工业生产实践中这些理论计算由于某 环节的函数关系过 于高深 ，或很多实际边界条件难以定义而不能解决 。计算机的出现 方面解决了复杂运算的计算问题 ，另 方 面实际边界条件可以默认成理想条件或借鉴前人统计分析的历史数据或前人总结的经验公式而输入 ，这样就为 计算机模拟计算奠定了基础 。人类探索从无知到可知 ，计算机模拟理论计算帮助我们解决从可知到已知 ，理论 模拟计算前景很诱人 ，国内外兴起的热处理模拟计算在近二三十年随着计算机技术的应用而得到较大的发展 。 2.热热处处理理理理论论模模拟拟计计算算的的已已知知条条件件及及结结果果 任何热处理理论模拟计算软件的正向推导过程都是需要有条件输入才能有结果输出 。根据 已知条件如钢材 牌号 、零件大小尺寸及工艺选择条件 ，温度 、时间 、气氛 、淬火冷却介质等 ，然后软件建立三维模型 ，根据内 置的算法表格 、方程结构 、偏微分方程式组 、序列和矩阵操作等自动输出计算结果 。 从图1的Somme 索默热处理数据库模拟计算软件中可看出 ，只要输入基础数据 包括钢材牌号 ，再输入实际 条件参数 ，如零件尺寸大小 、淬火介质 、淬火温度等 ，模拟软件可直接输出结果 ，能够去比较印证与热处理技 术要求是否符合 。如有偏 离可重新输入工艺过程参数和材料条件进行结果修正 ，从而为正确选材 、确定基础试 验工艺参数提供重要参考 。 图图 1 Sommer索索默默热热处处理理数数据据库库模模拟拟计计算算 3.热热处处理理理理论论模模拟拟计计算算在在工工业业生生产产实实践践中中的的应应用用意意义义 工业生产实践中新材料正向开发是根据零部件结构强度材料分析 ，决定采用什么材料及开发何种热处理工 艺 ，辅以金相检验及失效分析 ，这个过程先要知道材料性能要求 ，然后再考虑用什么材料 ，采用什么工艺 ，与 上面软件模拟计算中首先知道材料和热处理工艺参数 ，然后计算出材料力学性能恰恰是相反的过程 ，因而热处 理模拟计算软件实际上是积累了海量的基础数据后 ，能够实现正反向相互推演耦合计算 。 热处理理论模拟计算软件建立了条件与结果的众多复杂对应关系 ，当全部条件输入后软件可以自动输出结 果 ，当其他条件和结果输入后软件也能够输出某 个或某 组条件 。这样在新材料或新工艺出现的时候 ，相似 材料和相近工艺的基础数据可以模拟出计算所需要的条件 ，材料工程师能够模拟分析新材料的各类性能 ；机械 设计师能够根据零件结构及选择金属材料后提出热处理性能技术要求 ，同时可以反向进行材料结构验证分析 ； 热处理工程师可以根据材料及使用力学性能 ，优化热处理工艺参数 ；金相工程师可以分析金相组织 ，鉴别缺 陷 ，为FMEA 失效模式分析提出重要意见 。热处理软件模拟计算实际上是集成了材料工程师 、机械设计师 、热处 理工程师 、金相工程师在零部件性能方面的全部工作 ，整合这些工程师在材料功