(工艺技术)材料热加工工艺的现状以及发展

材料热加工工艺的现状以及发展

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当前，金属材料仍是应用范围最为广泛的机械工程材料，材料热加工（包括铸造、锻压、焊接、热处理等）是机械制造业重要的加工工序，也是材料与制造两大行业的交叉和接口技术。

材料经热加工才能成为零件或毛坯，它不仅使材料获得一定的形状、尺寸，更重要的是赋予

材料最终的成份、组织与性能。由于热加工兼有成形和改性两个功能，因而与冷加工及系统

的材料制备相比，其过程质量控制具有更大的难度。因此，对材料热加工过程进行工艺模拟

进而优化工艺设计，具有更为迫切的需求。近二十多年来，材料热加工工艺模拟技术得到迅猛发展，成为该领域最为活跃的研究热点及技术前沿。o、引言0.1使金属材料热加工由

技艺”走向科学”彻底改变热加工的落后面貌金属材料热加工过程是极其复杂的高

温、动态、瞬时过程，难以直接观察。在这个过程中，材料经液态流动充型、凝固结晶、固态流动变形、相变、再结晶和重结晶等多种微观组织变化及缺陷的产生与消失等一系列复杂的物理、化学、冶金变化而最后成为毛坯或构件。我们必须控制这个过程使材料的成分、组

织、性能最后处于最佳状态，必须使缺陷减到最小或将它驱赶到危害最小的地方去。但这一

切都不能直接观察到，间接测试也十分困难。长期以来，基础学科的理论知识难以定

量指导材料加工过程，材料热加工工艺设计只能建立在经验”基础上。近年来，随着试验技

术及计算机技术的发展和材料成形理论的深化，材料成形过程工艺设计方法正在发生着质的

改变。材料热加工工艺模拟技术就是在材料热加工理论指导下，通过数值模拟和物理模拟，在试验室动态仿真材料的热加工过程，预测实际工艺条件下材料的最后组织、性能和质量，

进而实现热加工工艺的优化设计。它将使材料热加工沿此方向由现虚拟制造迈出第一步，使机械制造业的技术水平产生质的飞跃。

热加工过程质量的先进手段，特别对确保关键大件一次制造成功,

我国重大机电设备研制、生产的一个难点是大件制造；大件制造

的关键又是热加技艺”走向科学”并为实

0.2是预测并保证材料具有重大的应用背景和效

工。我国在2015 年以前，水电、火电、核电、冶金、矿山、石化等重大机电设备对关键大件制造均有迫切的需求。以三峡水电机组为例，单机容量达70 万千瓦，五大部件（转轮、蜗壳、主轴、座环、顶盖）的重量和尺寸均居世界第一。其转轮直径达9.8 米，重量达500 吨，

采用铸焊结构，制造难度很大。由于大件形大体重，品种多，批量小，生产周期长，造价高，迫切要求“一次制造成功”，一旦报废，在经济和时间上都损失惨重，无法挽回。由于传统的热加工工艺设计只能凭经验，采用试错法（Test and Error Method），无法对材料内部宏观、微观结构的演化进行理想控制，因而发生多次大件报废的惨痛事故，投入使用的大件，也难以消除缩孔、缩松、夹杂、偏析、热裂、冷裂、混晶等缺陷，很多大件带伤运行。建立在工艺模拟、优化基础上的热加工工艺设计技术，可以将“隐患”消灭在计算机拟实加工的反复比较中，从而确保关键大件一次制造成功。这已为国内外不少应用实例所证实。

0.3 是实现快速设计制造、虚拟设计制造、分布式设计制造的技术基础热加工是制

造业的重要工序，制造业的发展及制造模式的变革离不开热加工的技术进步。美国国家科学

基金会（NSF）用“知识/自动化的不同发展阶段对制造业的影响”的图表（见图1）形象地说明设计制造技术水平对知识及自动化的依赖关系[1]。从知识这一坐标看，人类经历了从技艺T

手册指导T专家系统的过程，要达到更为完善的水平，必须进行过程/工艺模拟。因为只有

通过模拟仿真，人们才能认识过程的本质，预测并优化过程的结果，并快速对瞬息万变的市场变化作出设计及工艺的改变；另外，只有通过过程模拟，才能使设计与制造联成一体。它是实现快速设计、制造，拟实设计、制造以及分布式设计、制造的知识（技术）基础。

0.4 本领域是多项学科的交叉，对应用高新技术改造传统学科进而开拓新兴工程技术学科具有重大意义本研究领域涉及金属材料的铸造、锻压、焊接、热处理等热加工学科；物理化学、计算数学、图形学、材料成形理论、传热学、传质学、流体力学、固体力学、金属学、金属物理学等技术基础学科；计算机应用、测试技术、

网络技术、新材料等高新技术学科。本项研究的学术价值在于：以现代计算机、测试技术为手段，架起技术基础学科与金属材料热加工的桥梁，使基础学科的理论能够直接定量地指导材料热加工过程，体现了基础学科、高新技术与材料热加工学科三者之间的相互交叉和有机结合。它使材料热加工学科由“技艺”真正成为一门“科学”，它将推动材料热加工理论、计算机图形学、计算机金相学、计算机体视学、计算传热学、计算流体力学、并行工程等新兴交叉学科的形成发展。1 、材料热加工工艺模拟的研究历程及技术发展趋势材料热加工工艺模拟研究开始于铸造过程，这是因为铸件凝固过程温度场模拟计算相对简单。1962 年，丹麦Forsund 首次采用计算机及有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算[2] ，继丹麦人之后，美国在60 年代中期在NSF 资助下，开拓进行大型铸钢件温度场的数值模拟研究，进入70 年代后，更多的国家（我国从70 年代末期开始）加入到这个研究行列，并从铸造逐步扩展到锻层、焊接、热处理。在全世界形成了一个材料热加工工艺模拟的研究热潮。在最近十几年来召开的材料热加工各专业的国际会议上，该领域的研究论文数量居各类论文的首位；另外从1981 年开始，每两年还专门召开一届铸造和焊接过程的计算机数值模拟国际会议，至今已举办了八届。近一、二十年来，材料热加工工艺模拟技术不断向广度、深度扩展，其发展历程及发展趋势有以下七个方面。

1.1宏观T中观T微观材料热加工工艺模拟的研究工作已普遍由建立在温度场、速

度场、变形场基础上的旨在预测形状、尺寸、轮廓的宏观尺度模拟（米量级）进入到以预测组

织、结构、性能为目的的中观尺度模拟（毫米量级）及微观尺度模拟阶段，研究对象涉及结晶、

再结晶、重结晶、偏析、扩散、气体析出、相变等微观层次，甚至达到单个枝晶的尺度。

1.2单一分散T耦合集成模拟功能已由单一的温度场、流场、应力/应变场、组织场

模拟普遍进入到耦合集成阶段。包括：流场Ji温度场；温度场Ji应力/应变场；温度场Ji组织场；应力/应变