雄文！热处理理论模拟计算及其在工业实践中应用
作者：王陆军、张民，宁波上中下自动变速器有限公司
王瑞平，浙江吉利罗佑发动机有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
1.热处理理论模拟计算
金属材料热处理是一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一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。计算机的出现一方面解决了复杂运算的计算问题，另一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.热处理理论模拟计算的已知条件及结果
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 1 Sommer索默热处理数据库模拟计算
3.热处理理论模拟计算在工业生产实践中的应用意义
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一个或某一组条件。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能方面工作的协作，相当于集技术管理之大成。
4.热处理理论模拟计算在工业生产实践中的应用方法
工业生产实践中零件设计师往往首先是根据零件服役条件决定零件的使用力学性能，与材料工程师讨论后决定使用材料，然后在产品图样上标注出材料与零件的力学性能，热处理工程师需要反向推导采用什么样的热处理工艺去满足零件的力学性能要求。
热处理数据手册里积累了大量的关于热处理性能指标（表面硬度、渗碳层深度、有效硬化层深度、心部硬度等）、热处理工艺参数（温度、时间、碳势等）、原材料化学成分（含碳量、合金元素的含量及比例关系等）及状态（晶粒度、金相组织、夹杂物、探伤等）的对应关系数据和经验公式，这些数据和经验公式是计算机模拟计算的基础，这类理论计算结果也相对可靠，国外很多设备供应商配备的模拟计算软件多数属于此类性质。热变形的经验数据的积累比较少，热变形模拟计算软件通常从纯理论出发，已知条件不足时把理想状态默认为计算条件，计算过程相当复杂，应力应变是张量，相互作用，应力引起应变，应变反过来又影响应力的变化，反复耦合计算出现结果偏差再进行补偿修正，因而热变形理论计算还有很大的改进空间。热变形的本质是应力的作用，包括热应力与组织应力，应力引起应变，温度场、组织场、应力场相互作用反复迭代，图2温度-相变-应力应变相互耦合的非线性计算示意是在《热处理手册》中给出的，从中可看出热变形计算的复杂性。还有一类应用面更大的计算软件不属于热处理理论模拟计算范畴，但可借用其方法工具用来解决实际热处理问题。
图2 温度-相变-应力应变相互耦合非线性计算示意
5.热处理理论模拟计算软件
下面简单介绍几种热处理理论模拟计算软件或软件内置单元模块，这些软件都在一定范围内独立得到应用或应用于综合计算系统之中。
通过计算机辅助设计CAD绘图运用CAM技术把现实世界的物体及其属性用3D可视化方法直观地显示外观形状和尺寸，物体属性如密度、表面积、重量、任意两点之间距离等可数字化表示、分析、控制和输出，3D宏观图形绘制软件如Solidworks、Pro-Engineer、UG（Unigraphics NX）、CATIA等常用于机构设计中，这样就能够在计算机里面清晰地建立了一个人性化、可视化的虚拟实体。有限元分析利用数学近似的方法对真实的物理系统（几何实体与工况受载）进行模拟受力分析与力学计算被证明为非常有效的数值分析方法，这一方法应用于零件设计师进行材料结构强度设计与力学分析中。图3是ANSYS有限元分析软件FEA（FiniteElement Analysis）的界面。
图3 ANSYS有限元分析软件
热处理理论模拟计算软件还深入到金属微观结构分析中，在晶体结构、分子原子结构不同层面得到运用。如XRD分析软件MDI Jade能够完成晶粒结构层面上的一般各种物相定性和定量分析的工作；AvantageXPS数据分析与处理软件能够对超薄层待定序相对厚度作图、计算，深度剖析与校准。LabSpec具有数据采集、处理、分析和数据显示，以及灵活的自动化功能；OMNIC软件是FT-IR光谱的一个从采集红外光谱到进行定量分析的高级软件包；TAUniversalAnalysis软件可以分析来自各种热分析仪器的数据；HSCChemistry是世界上最受欢迎的热力学计算软件，对于温度场传热计算和渗碳扩散运算极其方便；DigitalMicrograph是一个用于透射电镜数据采集和分析的软件，能够深入分析晶体亚结构；NanoMeasure是一个根据材料表征的SEM或TEM等图片能够标定尺寸及粒径分布的简单便捷的软件；Findit是基于无机晶体结构数据库（简称ICSD）的晶体结构检索软件，是国际最权威的无机晶体结构数据库；CalculateXRD &d_value可以在晶体结构分析中进行晶面间距和面网指数等相关信息的查询和计算；ATOMS是用来绘制晶体结构的软件；Hyperchem可通过3D对量子化学进行一个全面计算的分子模拟软件；ChemDraw是包括绘制化学结构及反应式，并且可以获得相应的属性数据、系统命名及光谱数据，很容易地绘制出高质量的化学结构图形的专业的化学结构绘制工具；Diamond可以画出晶体结构的球棍模型图、密堆积、线形图、热椭球图和立体图，也可以用于晶体局部结构的绘制、编辑的化学软件；CrystalMaker是晶体和分子结构可视化的晶体结构建模分析软件；Materials Explorer是一个立足于Windows平台的多功能分子动力学软件，能够方便地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究；Materials Studio具有多种先进算法的综合应用，无论结构优化、性能预测和X射线衍射分析，以及复杂的动力学模拟和量子力学计算，都可以得到切实可靠的数据；CorelDRAW专业图形设计软件专用于矢量图形编辑与排版；Origin是具有两大主要功能包括数据分析和科学绘图的软件；SHAPE是绘制部分的晶体并能够绘制任何单晶和大多数双胞胎和外延共生的晶体形貌模拟软件；FlexPDE是可获得偏微分方程的数值解的偏微分方程有限元软件。
热处理工艺模拟计算软件，国内外很多设备供应商现在都可以做到这一点，主要是软件内置基础数据库和经验公式和算法表格，输入相应的材料、工艺条件，软件能够自动计算和查表直接输出结论，可以作为编制热处理基础工艺的工具，再经过小批量试验验证进行补偿修正，最后锁定固化成正式工艺。图4是Aichelin爱协林离线仿真计算的一个例子。
图 4 Aichelin爱协林离线仿真计算
热变形的理论计算模拟软件是热点也是难点，因为热变形是困扰热处理工作者的重大问题，所以相应的理论研究会成为热点，热变形问题的复杂性涉及材料、工艺、性能、组织几大模块的互交影响和同一模块内不同影响因素或并列或递进的相互纠缠作用，计算步骤多，计算过程繁，数学计算模型相当复杂，计算结果精准性仍有一定的改进空间。
数学模型是分析和优化热处理工艺的有效工具，在输入一组参数（如材料、尺寸，工艺过程如温度、碳势、时间等参数）后，模拟预测实际生产的质量控制参数（如渗层深度、显微组织、硬度和变形）。热处理建模有确定的解，即每一组条件得到唯一解。一种能反应批次间工艺参数变化，特别是温度和碳势的概率处理方法在工业渗碳工艺得到应用。美国金属学会提供了一种热处理工艺过程建模与设计优化的方法，该方法通过捕获过程和质量的变化，可提供一个优化工艺流程更可靠的方法，图5是FDM有限差分法在渗碳工艺过程的具体应用。
图 5 FDM有限差分法
图6以有限元分析（FEA）为基础建立渗碳过程综合模型，采用该模型对渗碳过程中的温度、显微组织、金相组织结构、残余应力和变形进行预测。采用相关文献资料中的基准数据和实际参数对该模型进行了广泛验证。该模型可以研究在渗碳期间由于化学成分的波动而引起的变形波动，同时也提供一个减少变形波动和绝对变形的方法。
图6 渗碳过程综合模型
6.综合计算材料工程和设计优化
热处理材料数据库中的材料性能基础数据、工艺参数条件数据是热处理理论模拟计算的基石，这些大量的基础数据很容易存储在计算机里面，而且可以不断添加新的试验数据。
作为计算条件，经典的热处理计算公式也是前人经验的总结，同样会为热处理理论模拟计算所借鉴和引用。模拟软件只是把这些经验公式内置于软件的运算单元之中。
由于传统热力学、化学扩散、物理、数学运算法则内置于软件的运算单元模块之中，渗碳层深度、有效硬化层深度、表面碳浓度、表面硬度和不同深度位置的淬火硬度的计算都能够得到较精确的计算结果，这种计算相当于把以前工程师的计算工作交给计算机去做，模拟计算与生产实践结果符合度非常好。热处理变形的复杂性使得其模拟计算的精确度还有待提高，实际上工程师们和科学家们对于热变形的计算也做得很少或还只停留在某个具体的简单问题的计算上面。
综合计算材料工程能够减少开发材料体系和编制工艺的时间和成本，与材料设计试错法不同的是其计算方法采用了数据库和数学模型，在优化的框图内采用的数据库热力学合金设计数据库和能够预测力学性能变化的制造模型模拟，代替试错法的反复尝试和重复试验，这种方法使用虚拟模拟，在要求的生产过程、成本、环境和寿命的约束条件下，高效率地产出满足性能竞争需求的材料。图7是设计优化综合框图，采用FEA有限元分析方法。
图7 设计优化综合框图
热处理理论模拟计算是建立在科学规律的提炼和经验公式的总结之上，再加上大量试验验数据的支撑，理论计算的精确度还是很高的，基本上可以满足日常工业生产实践的需要。然而由于有些情况下计算采用默认的理想条件与实际条件存在偏差，需要根据实际结果进行补偿修订。另外，有些新材料属特殊钢种，未必符合已经发现的规律，在这种情况下，需要根据试验结果实事求是地进行补充完善数据库，从而为以后计算精度的提高做出努力。
通过上面的分析我们已经知道热处理理论模拟计算可以在人类认识热处理规律从可知到已知的过程中提供极大帮助，却在从未知到可知的过程中还需要热处理工作者继续做出探索性的研究。