热模拟

一热模拟的原理

物理模拟是指缩小或放大比例，或简化条件，或代用材料，用试验模拟来代替原型的研究。对于材料和热加工工艺来说，物理模拟通常指利用小试件，借助于某些实验装置再现材料在制备或热加工过程中的受热，或同时受热与受力的物理过程，充分而精确的暴露于揭示材料或构件在热加工过程中的组织与性能变化规律，评定或预测材料在制备或热加工时出现的问题，为制定合理的加工工艺以及研制新材料提供理论指导和技术依据。

材料现代物理模拟技术是一种高技术。它融材料科学，传热学，力学，机械学，工程检测技术，电子模拟技术以及计算机领域的知识和技能为一体，构成了一个独特的，跨学科的专业领域。

二热模拟技术在研究焊接热裂纹方面的应用

热模拟技术经过近三十年的试验研究，已经成为一种比较成熟的研究手段，可用于研究焊接热裂纹。利用焊接热模拟技术，可以用于新合金的研制阶段，探讨合金产生裂纹的冶金过程，从而研究出焊接性能良好的材料，而且在常规实验的基础上，作为一种实验方案来推测材料的焊接性能。

三热塑性试验

一般来说，焊接热裂纹发生在焊接过程的高温冷却阶段，由于金属的塑性变形能力不足以承受当时所发生的塑性变形而导致开裂。因此，热模拟技术便被应用于测量金属的高温塑性，作为评价金属材料热裂纹敏感性的重要方法。

1 早期的研究

早期的工作从1949年开始，Nippers等人把金属材料再加热过程中的塑性降低作为评定其裂纹敏感性和合理性选材的标准，用断面收缩率来表示热塑性。

1957年Nippers等人报道了他们对十七类34重金属材料所做的热塑性实验结果。

在这一时期的实验研究中，加热的峰值温度都定在加热时的零塑性温度点，虽然也对试样的强度进行测量，但并没有吧测量结果与实际的焊接性能联系起来。

2 热强度

1963年，Williams 等人通过研究发现热强度的测量应当是裂纹敏感性试验的重要组成部分，热强度的恢复情况也是决定热裂纹敏感性的重要指标。Solda 等人解释：虽然塑性在冷却过程中恢复缓慢，但强度恢复缺很迅速。对于两种屈服强度十分接近的高强度钢，可以弹性变形的方式吸收产生的热应变，而屈服强度较低的材料却相应地要受到较大的塑性变形，因而有较高的热裂纹敏感性。

然而，Yeniscavich 试验的研究否定了Solda的观点。他认为金属材料在高温冷却过程中的强度恢复率也是判断其裂纹敏感性的重要指标。如果热塑性恢复较差，但强度恢复较快，则材料的裂纹敏感性也较小。如果热强度恢复缓慢，则材料的裂纹敏感性主要取决于其塑性的恢复状况。

3 加热的峰值温度

Willams 分析了金属材料的热强度曲线（如下图3），指出，这种曲线的特征是显示储不连续性或拐点，温度超过该点之后，强度迅速下降，而拐点处强度下降到一半的温度与零塑性温度十分接近因此，以零强温度作为最高加热温度，而不是以零塑性温度，这样虽对冷却阶段的塑性造成很大的损害，但更接近实际焊接情况。

Yeniscavich 发现，采用零强温度作为测定冷却阶段热塑性的加热峰值温度，将零强温度(NST)与冷却过程中塑性开始恢复的温度(NDT冷却)之间的温度区间定义为零塑性温度区间(ZDR)，使用该区间作为判断金属抗裂性能的指标，与试验中后续焊道加热所引起的微裂行为有着密切的关系，见图4。

为了更加清楚地理解热塑性试验所测得的这些参量对金属焊接性能的影响，Duvall

和Owczarski把焊接电弧移动过程中的焊接区塑性绘成三维曲线图加以分析，并对四种镍基合金进行了焊接性试验，结论是，至少对所试验的四种镍基合金而一言，从零强温度开始冷却的塑性恢复速度，与已知的焊接行为有着良好的联系.应当注意的是，加热峰值温度越高，所恢复的最高塑性越低，塑性恢复速率也越差，而且零塑胜温度区间ZDR 越大，其裂纹敏感性也就越大。从焊接热影响区热塑性的三维分布情况来看，零塑性区域正是处在靠近焊接熔池的局部区域，该区域的大小反映着材料的裂纹倾向性。

Yenisca等人在另一项工作中发现，一些镍基高温合金在中温范围内塑胜下降到零。他们认为合金在中温范围内的塑性行为可以用作评定其中温区焊接裂纹敏感胜的标准，如图所示。如果合金在中温区的塑性维持高值，则此合金是抗裂的，如果合金在中温ZST区塑

隆急剧下降，甚至降低到零，则合金是易裂的。

4. 冶金学研究

为了探讨各热塑性试验参量的冶金学意义，W ciss等人对Inconc1600镍基高温合金在模拟焊接热循环过程中所产生的种种物理冶金现象进行了深入研究。他们发现，金属在接近熔点附近时产生的热塑性下降，是由于金属晶界的局部熔化引起的，并研究了导致金属在模拟焊接条件下产生性能变化的冶金条件。

Keane等人通过试验研究也指出，金属的零塑性是由于晶粒边界的液化引起的，因此，零塑性温度的改变是对实际固相线温度变化的精确反应。热塑性试验一方面可以用来作为评定金属焊接裂纹敏感性的试验方法，另一方面，又被世界上许多焊接工作者用来研究金属塑性变化的冶金因素，而在这一方面的研究己经取得很丰富的成果。

5. 热塑性试验的适用性

热塑性试验采用的宏观上均质的母材，在固态下进行高温拉伸。因此，相对实际焊接接头的冶金过程而言，它只能用于评定母材金属焊接热影响区液化裂纹和中温失塑裂纹的敏感r，而不能用于评定:焊缝区的凝固裂纹敏感性。

用三次模拟焊接加热循环，第一次加热循环模拟焊缝金属显微组织，第二次、第三次加热循环模拟焊接热影响区，并在高温下进行快速拉伸试验，以此来评定金属的热裂纹敏感性。

1967年Cremisio和K offler}29’把试样保持在惰}i三气体保护室内进行热模拟试验，将试样局部加热熔化后再冷却下来进行拉伸试验。后来，Homma等人自行研制的焊缝冷却循环模拟装置进行焊缝的高温强度和塑性试验，用以研究焊缝硫、磷元素对焊缝凝固裂纹的影响。

利用热模拟技术进行金属的模拟焊接加热，并在高温下进行快速拉伸试验，这种方法用来研究焊缝区凝固裂纹的卫作并不多见。因此，一般说来，热塑性试验只能评定母材金属热影响区的热裂纹敏感性，但由于该方法能够同时提供金属在高温模拟焊接加热条件下的衬以性能，便于进行母材金属焊接裂纹敏感性的定量比较，因此，它f,:新合全的研制和结构选材过程中的确是一种很好的试验方法。

另外，在利用热模拟技术研究焊接热裂纹方面，还应当提到Savnge等工作者，他们在研究HastelloyX合金的热裂纹问题时，采用了由纵向板上堆焊焊送构成的复合试样。在热模拟机上经受一次相当于实际焊接的热循环，并拉仲到产生预定的变形量，将产生裂纹的临界应变量作为评定接头抗热裂纹能力的指标。