热模拟技术的应用

热模拟技术的应用

摘要：本文从物理模拟的角度，阐述了热模拟技术在焊接领域和奥氏体再结晶过程模拟、CCT曲线绘制、疲劳试验等热变形条件下的应用；从数值模拟的角度，阐述了热模拟技术在铸造、电子和电池研发等领域的应用。

关键词：热模拟，物理模拟，数值模拟，热模拟应用

目前，热模拟技术的研究已经越来越广泛，人们因其直观有效的模拟手段，成熟快速的仿真演算，大量开发并运用于科研和工程设计中。

一、关于热模拟技术中的物理模拟和数值模拟

热模拟技术分为物理模拟和数值模拟。

物理模拟是通过实验室物理实验模拟真实物理过程的方法。将实际地形物理的缩小模型置于实验体（如风洞、水槽等）内，在满足基本相似条件（包括几何、运动、热力、动力和边界条件相似）的基础上，模拟真实过程的主要特征，如空气动力规律和扩散规律。

数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为手段，利用一组控制方程（代数或微分方程）来描述一个过程的基本参数的变化关系，采用数值方法求解，已获得该过程（或一个过程的某一方面）的定量认识。

在实验中，一般只能获得有限点上的测量值。物理模拟的结果一般不能用外推法，而且模拟的准确性及普遍性依赖于必要的测量手段和模拟的相似条件，这对于复杂的热加工工艺有时很难实现。而数值模拟能提供整个计算域内所有有关变量完整而详尽的数据，因此，热加工中很多过去难以用物理模拟机分析方法求解的非线性问题可以在计算机上涌数值方法获得定量结果。

然而，某些热加工工艺由于工艺因素的错综复杂，目前尚缺乏全面描述其过程的理论公式，必须依赖物理模拟获得对过程的主要影响因素和缺陷形成机理的认识才能建立合理的数学模型。同时，数值模拟的合理性和可靠性也要靠物理模拟的定量测试结果来检验。由此可见，数值模拟与物理模拟具有不容的特点和应用范围，两者具有互补性，物理模拟是数值模拟的基础，数值模拟是物理模拟的归宿，只有将两者有机地结合起来，才能更有效地解决材料科学与工程中的复杂问题，获得符合实际的研究结果。

二、物理模拟技术的应用

对材料和热加工工艺来说，物理模拟技术通常指利用小试件，借助于某种试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，充分而精确地暴露与揭示材料或构件在热加工过程中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及研制新材料提供理论指导和技术依据。

物理模拟技术的发展与物理模拟试验装置的不断完善紧密相关。随着物理模拟技术水平的提高，不同功能的热/力模拟试验装置不断研制开发。目前，在冶金领域中得到广泛应用的是美国DSI科技联合体的Gleeble系列热模拟试验机。随着钢铁行业对新产品开发和工艺优化需求的提高，Gleeble系列热模拟试验机的功能不断得以完善，如图1。

图1 Gleeble 3800热模拟试验机

2.1 物理模拟技术在焊接领域的应用

由于焊接热影响区的组织及性能对焊接接头的质量有很大的影响，因此深入研究热影响区中的各区段组织性能是非常必要的。然而热影响区中的各区段非常狭窄，很难单独取出进行相应的试验研究。采用热模拟技术，就可以在一定尺寸的试件上，模拟焊接热循环及焊接应力应变对焊接热影响区中某个区段的影响，从而研究该区段的组织及性能的变化规律。该项技术的应用可分为：

2.1.1 研究焊接热影响区不同区段的组织及力学性能

由于焊接过程中，焊接热影响区的各个部位经历了不同的热循环，因此，各个部位的组织不同，强度及塑性指标也不相同。只要测出所要研究点的热循环曲线，将其输入到焊接热模拟试验机内，对相同材质的试样进行加热及冷却，然后从该试样中加工出力学性能试件，就可测得所要研究点的力学性能数据。这项研究对了解过热区的组织及性能非常重要。

2.1.2 研究焊接热影响区的粗晶脆化

首先测出实际焊接接头的粗晶区热循环曲线，并将其输入到焊接热模拟试验机内。对相同材质的试件进行与该粗晶区相同的加热及冷却过程，在这些试件上制取冲击试样，进行冲击试验，从而得到粗晶区的冲击韧度。也可制成COD试样，进行断裂韧度试验。通过以上试验工作，可研究粗晶区组织、性能与焊接工艺参数之间的关系，为获得优质的接头提供最佳工艺参数。

2.1.3 研究焊接热影响区的热应变脆化

首先将试件加热到通常产生热应变脆化的温度，再施加一定的塑性应变值（如1%～5%）。试件冷却后，制成冲击试样或COD试样进行试验。采用这种方法可以研究金属材料焊接的热应变脆化倾向。

2.1.4 研究冷裂纹、热裂纹、再热裂纹及层状撕裂的形成条件及产生机理

在试验机上对试件进行与实际焊接过程相同的热过程模拟、应力及应变过程的模拟及其他条件的模拟，从而研究该材质在模拟焊接的情况下产生焊接裂纹的倾向，这对深入研究裂纹的产生机理及防止措施有重要的实际意义。

例如：为了模拟焊接冷裂纹的淬硬组织、氢的聚集、拘束应力等三个因素，利用焊接热模拟试验机对试样进行按照给定程序的加热及加载，试样加热到峰值温度后，冷却到900℃左右时，对试件进行恒温充氢，然后按规定的冷却速度冷却。在冷却过程中，控制其应变和应力，保持一定时间后，检查是否产生裂纹。通过上述试验，即可研究冷却速度、吸氢时间、应力值、延迟时间等因素对裂纹产生的影响，从而可以获得临界冷却速度、临界氢含量、临界拘束应力等指标。进而可以深入研究冷裂纹的敏感性，提出最佳焊接工艺参数等。

2.1.5 绘制焊接连续冷却转变图（SHCCT图）

利用焊接热模拟技术，对金属材料测定并绘制SHCCT图，对于制定合理的焊接工艺方案、判断工艺参数的可行性，以及获得优质的焊接接头具有重要的应用价值。这不仅可以节约大量的人力、物力、试验量，而且在工艺参数制定后不必进行实际焊接即可进行焊接热影响区组织性能的判断。

此外，焊接热模拟技术还可以应用于金属材料的热强性、热塑性、热疲劳、高温蠕变、动态再结晶等方面的研究工作。冶金工业中的铸钢高温流变行为、连铸钢的高温力学性能以及变形速度对不同温度下材料强度的影响，模拟轧制、模拟锻造工艺等方面也成功地应用了焊接热模拟技术。

总之，焊接热模拟技术不仅用于热影响区各区段组织性能的研究，也可应用于材料科学的许多领域;不仅应用于各类钢材，还可以应用于有色金属、铸铁、陶瓷与金属等异种材料等项研究中，他是材料科学研究中的重要手段之一。

2.2 物理模拟技术在金属热变形领域的应用

2.2.1 热轧制过程奥氏体再结晶模拟

奥氏体再结晶过程在控制轧制过程中占有重要的地位。人们可根据再结晶图合理确定工艺制度，包括加热温度、开轧温度、终轧温度及各段温度中的变形量和奥氏体化再结晶区轧制的变形量，并且确定轧后冷却制度。

准确地制定热轧工艺首先要考虑变形过程中金属组织的变化规律。这一过程的模拟是采用圆柱形试样（流变应力试验）或板状试样（平面应变试验），利用热加工模拟试验机控制道次变形量、变形温度、变形道次间隔时间、变形速率及进行多道次变形的功能来完成的。用水淬保留其瞬间的金属高温组织，配合金相观察确定动态再结晶的工艺条件。

用热模拟试验机进行变形，在不同条件下得到应力-应变曲线，测得的εc是奥氏体发生动态再结晶的临界变形量，εs是奥氏体完全动态再结晶的变形量，根据不同变形温度及不同变形速度求出一系列点，作出动态再结晶图。

以下是对B级船板钢的试验研究结果。图2是10mm×12mm圆柱形试样的热模拟流变应力试验装置简图。图3是热变形工艺图。图4是B级船板钢奥氏体动态再结晶图。

图2 流变应力实验装置

图3 热变形工艺