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1Gleeble3800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热变形工艺图4B级船板钢奥氏体动态再结晶图图3中εc曲面以下为不发生动态再结晶的工艺范围，εc和εs曲面之间为发生部分动态再结晶的区域。图3表明，如果变形工艺参数控制在εs曲面以上的话，可以获得明显的奥氏体动态再结晶细化的晶粒效果。2.2.2相变温度测定及CCT曲线绘制热膨胀法利用热加工模拟试验机对试样在奥氏体化后或者热变形后以不同冷速进行恒速冷却，测量出试样的一组温度-膨胀量变化曲线。根据这组曲线上的拐点来确定钢的各种相变温度（Fs，Ff，Ps，Pf，Bs和Ms），将这些温度描绘在以温度-时间（对数）为坐标的冷却曲线上然后连接起来，便得到该钢种的连续冷却转变（CCT）曲线。CCT曲线可为制定合理的热处理工艺提供可靠的基础数据。以下是对82B高线钢CCT曲线的测定试验。82B钢的化学成分w(%)：0.85C，0.25Si，0.81Mn，0.017P，0.016S。图5和图6是6mm×120mm圆棒形试样和热膨胀试验装置简图。图7是绘得的82B高线钢CCT曲线，从图中可以看出奥氏体在不同冷速条件下向珠光体的转变过程。图5圆棒试样图6热膨胀试验装置图782B高线钢CCT曲线原始状态轧制：奥氏体化900℃×60s2.2.3热轧制过程变形抗力测定制定一个合理的热轧生产工艺，除了要把握好金属组织的变化特征外，计算并合理分配热轧过程的力学性能参数也是不可缺少的。利用热加工模拟试验机可以准确地测定并绘制试样变形过程的σ-ε曲线，用此来研究工业轧制条件下变形温度、变形量、变形速率、冷却温度、冷却速度等工艺参数及钢材本身的化学成分和热轧过程各道次的变形抗力的相互关系。以下是对五种低合金钻杆钢变形抗力的测试研究。图8和图9是测得的真应力-真应变曲线。图8不同轧制温度下12Cr1MoV钢的真应力-真应变曲线图9860℃轧制温度下五种钢的真应力-真应变曲线从图中可以看出钢中合金元素及其含量的不同和轧制温度的变化，对变形抗力的影响规律是较明显和直观的。2.2.4钢的热疲劳试验对车轮钢进行不同制动条件的热疲劳模拟试验，测定热应力状态和大小，分析热应力对热疲劳裂纹的影响。图10是截面为5mm×6mm矩形的等截面和线切割缝两种试样热疲劳试验装置简图。图11是热疲劳试验工艺图。图12是车轮钢热疲劳试验应力曲线图。图10热疲劳试验装置图11热疲劳试验工艺图图12热疲劳试验应力曲线图热疲劳试验结果表明，车轮钢在升温时产生热膨胀压缩应力，冷却时产生热残余拉伸应力。热循环疲劳的峰值温度越高、约束程度越大和线切割缝的存在都使热疲劳寿命缩短。车轮在制动过程中，热循环载荷形成踏面热裂纹。2.2.5超塑性研究利用物理模拟试验技术，可以方便地进行材料超速变形的模拟研究。这是由于物理模拟实验设备不但可提供精确的加热温度，更主要的是可以方便地调节与控制拉伸速度，使得试样变形过程中变形速度（真应变速率）保持不变。2.3物理模拟技术在连铸领域的应用图13及图14分别示出了这种试验方法的试件装配图和喷水冷却时热流方向示意图，它比较形象地模拟了连铸时铸坯的形状、受力状态与冷却方式。上表面喷水（或喷气）是为了模拟连铸工艺二次冷却并获得与表面相垂直的柱晶生长。试样两端的销钉孔用于固定支点，对试样施加载荷。试验时，用坩锅或石英片将试样中间熔化部分支撑住，以防钢液的流出，铂-铂铑热电偶焊在试样的底部。试样熔化后，先喷气在试样表面形成一薄壳，随即迅速喷水。在试样凝固过程中或凝固后继续冷却到矫直温度时，可根据试验要求对试样加压或拉伸。压缩时，试样上表面将产生拉应力；拉伸时，试样下表面产生拉应力。冷到室温后，检查试样表面是否有裂纹或裂纹数量的多少，进而评定该钢种在连铸时的裂纹敏感倾向。图13连铸模拟试样装配图图14连铸模拟喷水冷却示意图三、数值模拟技术的应用1960年，美国克拉夫(Clough)首先提出了有限单元法(finiteelementmethod,FEM)，为把连续体力学问题化为离散的力学模型开拓了宽广的途径。有限单元法属于力学分析中的数值法，它是把一个连续的介质（或构件）看成是由有限数目的单元组成的集合体，在各单元内假定具有一定的理想化的位移和应力分布模式，各单元间通过节点相连接，并藉以实现应力的传递，各单元之间的交接面要求位移协调，通过力的平衡条件，建立一套线性方程组，求解这些方程组，便可得到各单元和结点的位移、应力。简言之，就是化整为零分析，积零为整研究。有限元法(FEM)是一种非常有效的数值计算方法，在工程界得到了普遍的拥护，许多专家学者和技术人员都在使用。经过几十年的不断发展，有限元法从建立模型、计算结果到程序的最终实现，都有了大幅度的进展。特别是近些年计算机软硬件技术的飞速发展和有限元分析软件的不断改进，有限元法