热处理数值模拟技术现状及发展趋势

发 了 以 热 处 理 技 术 为 背 景 的 材 料 数 据 库 ＭＡ Ｅ 口 １本 热 处 理 协 会 也 开 始 开 发 冷 却 剂 Ｔ Ｑ ， ３ 传 热数据 库 。尽 管 如此 ， 处 理 中 的变形 控 制仍 热 然 是一个 尚未充 分 解决 的难题 ， 因是 没 有 大量 原 的热处理 试验 的验 证 ， 就得 不 到可 靠 的材 料 特性 和冷却剂 传热特性 ， 没有可 靠 的数 据 ， 热处 理数值
，
Ｄ Ｎ Ｅ【］ Ａ Ｔ １等泛用 或 专用 软 件 。这些 有 关 热 处理 ６ 的 Ｃ Ｅ（ ｏ ｕｅ ｉ Ｅ ｇ ｅｒ ｇ 软件 和数 值模 Ａ Ｃｍｐｔ Ａｄ ｎｉ ｅｉ ） ｒ ｎ ｎ
拟技术被应用到淬火 ］高频淬火 渗碳 ， ”， 墙， 调质 如 和锻 造 热 处 理 卜 等 工 艺 之 中 ， 取得 了
国家 的综合 实力 和 国际竞争 力 。如何 提高 加工 制
造业 中的节能技 术含 量 和创 新 力度是 摆在 我 国制 造业 技术 发展 面前 的一个重 大课 题 。 制造 加工业 中 ， 处 理 技术 一直 具 有 相 当 重 热 要 的地位 。特别是 汽 车 ， 工机 床 ， 辆 和船舶 等 加 车 领域 使用 的零部 件大 多都需 要通 过热 处理 技术来 提高零 部 件的机 械强 度 、 性 和耐磨 损性 等性 能 。 韧
际合作研 究项 目（ＭＡ— Ｔ 的 内容 、 Ｉ ＶＨ ） 热处理 虚 拟 系统 和模 拟 软件 Ｃ Ｓ Ｐ的 系统 结 构和 计 Ｏ ＭＡ
算分析 功 能。根 据虚拟 制造 系统的概 念 ， 析 了热处 理制造 业信 息化 的现 状和发 展趋 势 。 分 关 键词 ： 处理 ； 值模 拟 ； 热 数 变形控 制 ； 虚拟 系统 ； 数据 库 ； 识库 ； 艺优 化 知 工 中图分 类号 ： Ｇ Ｔ１ 文 献标 识码 ： Ａ 文章 编 号 ：１０ ４ １ （０ ０ ０ ０ ０ — ８ ０ ６— ６ ３ ２ １ ）６— ０ １ ０
ｖｌ ｍ ｎｓａｅｍ ｉｌ ｄｓｕ ｓｄ ｎｅｎ ｔ ｎ ｌ ｏ ｐｒｔ ｎｒｓａｃ ｒｊ ｔ Ｉ ｅｏ ｅ ｔ ｒ ａｎ ｉ ｓ ．Ｉｔｒａｉ ａ ｅ —ｏ ｅａ ｏ ｅｅｒｈｐｏｅ （ＭＡ—Ｖ Ｔ ｐ ｎ ｐ ｙ ｃ ｅ ｏ ｉ ｃ Ｈ ）ｓｏ —
ｓ ｒ ｄ ｂ ｎ ｅ ａ ｉｎ ｌｏ ｇ ｎｉａ ｉｎ Ｉ Ｓ ｉ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｂ ｉｆｙ Ｔｈ ｉｔ ｌｓ ｓｅ ａ ｐｌ ｄ ｔ ｈ ａ ｏ ｅ ｙ ｉｔ ｒ ｔ ａ ｒ ａ ｚ ｔ Ｍ ｓ ｉｔｏ ｕ ｅ ｒｅｌ ． ｎ ｏ ｏ ｅ ｖｒｕａ ｙ ｔｍ ｐ ｉ ｏ ｔ ｅ ｈｅ ｔ ｅ
较 好 的效 果 。
另一 方面 ， 了给热 处理 数 值模 拟 提 供可 靠 为 的材料参 数和冷 却 剂 的传 热参 数 ， 特别 是 提 供包 括 了相变 的热物 性 和力 学性 能 的参 数 ， 力开 发 大 材 料数据 库和冷却 剂数据 库也逐渐 受到重 视 。例
如 ，９ ７年 日本 材料学 会组 织相 关企 业 和专 家开 １９
鞍 钢 技 术
２ １ 第 ６期 ０ ０年
ＡＮＧＡＮＧ ＴＥＣＨＮ０Ｌ ＯＧＹ
总第 ３ ６期 ６
热 处 理 数 值 模 拟 技 术 现 状 及 发 展 趋 势
巨东 英 （ 鞍钢 集 团未 来钢铁研 究院 ， 宁 鞍 山 ｌ４０ ） 辽 １０ ９
摘要 ： 主要 介 绍 了热处理 数值模 拟 理论 和技 术 发展 现 状 ， 阐述 了国 际 Ｉ ＭＳ组 织 主 导 的 国
ＨＥＡＲＴＳ－ １
，
变诱起相变现象。针对这种复杂想象， 目前还很 难采用相场法 ， 分子动力学等计算方法模拟热处
理 的问题 。根 据 目前 的数 值 模拟 技 术 ， 处 理 的 热
数 值模 拟理论基本 上还是 采用建 立在连续 体 的热
紧接着 欧美 等 国都 对 热处 理 数 值模
ＧＲＡＮＴ 引 ＡＳＬ ＤＥＦ ＯＲＭ ～ ＨＴ 引 Ｅ
Ｊ ｎ ｙｎ ｕ Ｄｏ ｇ ｉｇ
（ ｎｔ ｌ ｅｈ ｉ ｌ ｅｅｒｈＩｓｔｔ， ｎｈ ｎ１４ ０ ， ｉ ｎｎ ， ｈｎ ） Ａ ｓ ｅ Ｔ ｃｎｃ ｓａｃ ｔｕｅ Ａ ｓａ １０ ９ Ｌａ ｉｇ Ｃ ｉａ ｅ ａＲ ｎｉ ｏ
Ａｂ ｔａｃ ：Ｔｈｅ ｔ ｅ ｒ ｎ ｎ ｍｅ ｃ ｌｓｍｕｌｔ ｎ ｔｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ａ ｒ ａｍｅ ｔａ ｄ ｉ ｕ ｒ ｎ ｅ ｓｒ ｔ ｈ ｏ ｙ ｏ ｕ ｒ ａ ｉ ｉ ａｉ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｆ ｒｈｅ ｔｔｅ ｔ ｎ ｎ ｔ ｃ ｒｅ ｔｄ — ｏ ｓ
长期 以来淬火 ， 碳氮共渗 ， 调质等热处理过程 中对 零部 件变 形 的控 制 主 要 以现 场经 验 为 主 ， 基 Βιβλιοθήκη Baidu 上没有 实现定 量 的精确 控制 。这 主要是 因为 热
处理 过程 非常 复 杂 ， 不仅 包 括 了零 部 件材 质 的 特 性， 在热 处 理过 程 中化 学元 素 扩散 ， 、 热 相变 和 力 学行 为 的相互作 用 ， 还包 括 了冷 却 剂 的特 性 的 影
本 ， 国和加拿 大 的一些 大学 ， 韩 企业 以及研 究机构 成立了国际性共 同研究课题 组 （ Ｈ Ｖ Ｔ— Ｖｓ ａ ｉｕ ｌ Ｈ ａ Ｔｅｔ ｅｔ ｙｔｍ） 针 对 热 处 理 变 形 控 制 为 ｅｔ ｒ ｍ ｎ ｓ ａ ｓ ｅ ，
Ｘ＝ Ｉ 五Ｘ
（） ２
进一 步从连 续介质 热力学 的观点 出发 ， 物 体 的客观状 态 量可 以用 Ｇｂ ｓ自由能 ｇ， 竹 热 ｉｂ 熵 ，
ｔｅ ｔ ｎ ｎ ｔ ｏ ｒ ｓ ｏ ｄｉ ｉ ｌｔｏ ｏ ｔ ｒ ｒ ａｍｅ ｔａ ｄ ｉｓｃ ｒｅ ｐ ｎ ｎｇ ｓｍｕ ａｉｎ ｓ ｆ ｗａ ｅ ＣＯＳ ＭＡＰ，ｓ ｓｅ ｃ ｎ ｇ ａ ｉｎ ｎ ａｃ ｌｔｏ ｙ ｔｍ ｏ ｆ ｕｒ ｔ ｓ ａ ｄ ｃ ｌ ｕ ａｉｎ ｉ ｏ ａ ｄ ａ ａｙ ｉ ｐｅ ａｉｎｓａ ｅ ａ ｓ ｓ ｕｓｅ ｎ ｈ ｎ ａ ａｙ ｅ ｎ ｎ ｌｚｎｇ ｏ ｒ ｔｏ ｒ ｌｏ ｄｉｃ ｓ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｎ ｌｚ ｄ．Ｔｈ ｕ ｒ ｎ ｏ ｄ ｔｏ ｔａ ｄ ｄｅ ｅｏ — ｅ ｃ ｒｅ ｔｃ ｎ ｉｉｒ ｎ ｖ ｌ ｐ ｍｅ ｔｔｅ ｄ ｉ ｈ ｅｄ ｏ ｎ ｆ ｃｕ ｎｇ ｉｄｕ ｔｙ ｂ ｅ ｔｔｅ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ａ ｅ ｎ ｉ ｆｒ ｔｚ — ｉ ｒ ｒ ｎ ｎ ｔ ｅ ｆ ｌ ｆｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｓｒ ｙ ｈ ａ ｒ ａｍｅ ｔｔ ｃ ｎ ｌｇ ｂ ｓ ｄ ｏ ｎ ｏｍａｉａ ｉ ｉ ｙ ｔ ｎ ａ ｅ ｄ ｓ ｒｂ ｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ｓ ｐ ｒｅ ｙ ｖ ｒｕ ｌｍａ ｕ ａ ｔ ｒｎ ｙ ｔｍ． ｉ ｒ ｅ ｃ ｅ ｈ ｏ ｇ ｕ ｐｏ ｄ ｂ ｉ ａ ｎ ｆ ｃｕ ｇ ｓ ｓｅ ｏ ｉ ｔ ｔ ｉ Ｋｅ ｒ ｓ：ｈ ａ ｒ ａｍｅ ｔ ｕ ｒｃ ｌｓｍｕ ａｉｎ；ｄ ｆｒ ｔｏ ｏ ｔｏ ；ｖｒｕ ｌｓ ｓｅ ；ｄ ｔ — ｙ ｗｏ ｄ ｅ ｔｔｅ ｔ ｎ ；ｎ ｍｅ ａ ｉ ｌ ｔ ｉ ｏ ｅ ｏｍａｉ ｎ ｃ ｎｒ ｌ ｉ ａ ｙ ｔｍ ｔ ａａ
．
拟软 件 的 开 发 提 高 了 重 视 ， 后 出 现 了 Ｓ — 先 Ｙ
Ｓ ＥＬＤ 引 Ｗ Ｅ
．
传导， 电磁 场 ， 扩散 ， 弹性 和相 变动 力 学方 程基 非 础 之上 的连续介 质力学 理论和 考虑 了这 些方程 之 间相互作 用关 系的多场耦合 理论 。这种 多场理论 及其 各个场 方程 的相 互作用关 系如图 １ 示 。 所
响 。要解 决这个 问题 ， 了建 立 热 处理 相 关 材 料 除
和 冷却 剂 的数 据 库 ， 考虑 了化学 元 素 扩散 ， 、 在 热 相 变和力 学行 为 的相 互 作 用 的 前提 下 ， 热 处 理 对
过程 进行 数值模 拟是 一个值 得 重视 的方法 Ｊ 。
早在 １７ ９ ５年 ，ｎｕ Ｉｏ ｅ和 Ｒ ｎｅｋ 就 提 出 了 考 ｅｉｃｉ
— —
１一
＜ 鞍钢技术） ００年第 ６期 ２１
巨东英 ： 热处 理 数 值 模拟 技 术 现 状及 发展 趋 势
总 第 ３ ６期 ６
虑 了淬火 中固体 的热 、 变 和力 学行 为 的相 互 作 相 用 的理论模 型 Ｊ 自 １８ ， ９ ５年起 越来 越多 的研究
人员 和学者对 此 问题 产生 兴趣 ， 提 出 了一 些更 并
ｂ ｓ ｋ ｏ ｅ ｇ ａ ｅ；ｐ ｏ ｅ ｓ ｏ ｉ ｉａ ｉｎ ａ ｅ； ｎ ｗｌｄ ｅ ｂ ｓ ｒ ｃ ｓ ｐｔ ｚ ｔ ｍ ｏ
制造业 能力 和制 造业 的技术 水平 代表 着一个
中的一个 难题 ， 只有解决 这个 问题 ， 能够实 现 而 才 低成 本加 工 和零 部 件 的高 可靠 性 。
主题开展 了 国际合 作研 究 ， 重点 是 以实 验 验证 其 为基础 ， 发 出具 有新功 能 、 精度 的数值 模拟 软 开 高
介质 热力 学的理论来 建立 多场方 程。
混合则描述的热力学理论： 考虑物质中的任
意物 质体 积都是 由 Ｎ 中相变 物质 所 组成 ， 中第 其 ， 物质 的体 积率 为 ，， ， ， ， 。由于单 相 （ ＝１２ … Ⅳ） 位体 积 中 Ⅳ相 的 和等 于 １满足 以下 的混合 则 ： ，
１ 热 处 理 模 拟 的理 论 基 础
热 处理 中既有 温度 场 和相 变 ， 度场 和 应 力 温
应 变场相互 作用 ， 也有相 变膨 胀 （ 收缩 ） 和应 力应
加完善的模型和数值模拟 的方法 ¨ 。在这之
后 ， 京都 大学 的 Ｉｏｅ Ｊ 日本 Ｃ Ｃ公 司 日本 ｎｕ 和 ｕ与 Ｒ 合作 在 １９ ９２年 首 次 开 发 了热 处 理 的 专 用 软 件
模 拟 的精 度就难 以保证 。但是 随着 锻造 和机械加 工 精度 的不断 提高 ， 为几 乎是 保 证 机械 零 部件 作 性 能 的近终 工艺 一热处 理 工艺 来 说 ， 如何 减 少热
图 １ 热 处 理 模 拟 的 多 场耦 合理 论 概 念
１ １ 连续体 多场理 论的基本 方程 ． 为 了描述热 处理 的 复杂 现 象 ， 以按 照 连续 可
然而， 如何 在保 证 热处 理 零 部 件 的 变形 均 一 性 的 同 时实现 性 能 的设 计 要求 ， 一 直 是 热处 理 技术 却
巨东英 ， 工学博士 ， 主要 研究领域 包括热处 理、 铸造 、 属与 金
陶瓷结合、 复合 材 料 、 性 材 料 、 磁 薄膜 材料 以及 数 值 模 拟 方 法 。
＾ ，
处 理 中变 形 的不 均 匀性 ， 大 限度 地 降低 热 处理 最
后 的加工 量 （ 如磨 削量 ） 对 确保 零 部件 的强 度 和 ，
磊 ｔ１
表示 ：
Ⅳ
（） １
第， 成分 的物质 特性 的混合则 可用 以下 公 式
降低加工 成本都具 有重大 意义 。
为此 ， 国际 Ｉ ＭＳ组 织 于 ２ ０ ０ ３年组 织 欧盟 ， 日
Ｃｕｒ ｅ ｔＣｏ ｄ ｔｏ ｎｄ Ｄｅ ｅ ｏ ｍ ｅ ｔ Ｔｒ ｎｄ ｏ ｒ ｎ ｎ ｉｉ ｎ ａ ｖ ｌ ｐ ｎ ｅ ｆ Ｎｕｍ ｅ ｉ ａ ｍ ｕ ａ ｉ ｃ ｏ ｏ ｙ ｆ ａ ｅ ｔ ｅ ｒｃ ｌＳｉ ｌ ｔｏｎ Ｔｅ ｈｎ ｌ ｇ ｏｒ Ｈｅ ｔＴｒ ｍ ｎｔ ａ