热处理数值模拟技术的研究进展.docx

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1、热处理数值模拟技术的研究进展目录引言2?热处理常用数值模拟方法2?确定性方法一有限元法3?有限元法在淬火、回火中的应用3?有限元法在正火、退火中的应用4?有限元法在有色金属及其合金析出相中的应用5?常用有限元软件共性特性介绍5?随机性方法一蒙特卡罗法和元胞自动机法6?蒙特卡罗法6?元胞自动机法6?相场法6?不同模拟方法的对比分析7? ?耦合场量、模拟维度及尺寸大小对比7? ?模拟内容对比8?运算效率和计算精度对比9?有限元法模拟主要流程9?材料参数设置9?材料计算模型的开发与建立10?组织计算模型102. 2. 2.扩散型相变103. 2. 3.非扩散型相变104. 2. 4.回火组织转变模型

2、11?力学性能计算模型12?其他自定义二次开发模型132. 3.边界条件13? ?边界条件的分类13? ?边界条件的定义14?有限元模拟应用举例14?结语与展望163. 1.前述163. 2.缺少材料参数173. 3.自定义开发模型不足173. 4.介质换热系数匮乏17引言金属材料在民生和工程方面都发挥着重要作用，往往需具备特定的使用性能，热处理工 艺可在不改变外形的基础上通过改变材料的成分、组织使其获得所需性能，探究热处理工艺 与金属材料性能之间的内在联系十分必要。常见的热处理工艺有正火、退火、淬火、回火及 渗碳、渗氮等化学热处理工艺。零部件热处理工艺的制定需要考虑材料种类、尺寸规格、组 织

3、状态、使用性能要求等因素。为获得最佳的热处理质量，传统工艺多采用“试错法”，其周 期长、成本高。因此，改变热处理行业这一现状迫在眉睫。20世纪以来，计算机逐渐与热处理工艺相结合，开启了热处理改性的新模式一一虚拟热 处理，即热处理数值模拟。与传统实验相比，虚拟实验具有节约成本、灵活性强、方便快捷、 生产效率高等优势，因此，发展热处理数值模拟技术是十分必要的。美国在2008年发表了 题为 Qntegratedcomputationalmaterialsengineering, ICME的报告，该报告指出，目前 材料设计主要靠试验，缺乏可靠而普适的计算工具，使得材料设计远远落后于新产品的设计。 IC

4、ME的目的在于集成材料科学的计算工具为一个整体系统以加速材料的研发，把设计和制 造统一起来，实现材料制造过程和构件的计算机优化。在ICME的基础上，2011年奥巴马提 出材料基因组计划(MaterialS genome initiative, MGI),该计划的总目标是将材料的开发、 制造和使用的速度提高一倍，通过计算与数据的集成、计算数据与实验数据的集成、高通量 计算与多尺度计算的集成，来变革传统的“试错法”材料研发状态。当前，正在深入开展材料 集成计算、材料基因工程的研究与应用，材料的数字化研发时代已经开启。热处理作为新材料研发与应用的重要支撑，在制造业中占有重要地位，而热处理数值模 拟技

5、术作为打破传统热处理瓶颈的新技术，可将热处理过程数字化、可视化，并可优化热处 理工艺参数，具有重要的研究意义。当前，常用的热处理数值模拟方法主要有有限元法、相 场法、蒙特卡罗法及元胞自动机法，本文对以上方法进行了总结和分析，并展望了热处理模 拟技术未来的发展方向。热处理常用数值模拟方法目前常用的数值模拟方法主要有确定性方法、随机性方法及相场法。确定性方法一有限元法确定性方法是指在特定体积的工件内可通过确定的函数表示所参考的状态变量。有限元 法(Finiteelementme-thod, FEM)即为这种方法。在FEM发展过程中，许多计算模型被提 出，并不断被应用到以FEM为基础的模拟软件上。热

6、处理是一个集温度、组织、应力之间相互作用与影响的复杂工艺过程，目前还很难采 用相场法、分子动力学等方法模拟整个热处理工艺过程，而FEM耦合了温度场、相变场及 应力场之间的相互作用，可对整个热处理工艺过程进行模拟。函有限元法在淬火、回火中的应用目前，热处理数值模拟主要集中在淬火和回火方面。徐广晨采用有限元软件DefOrm在 对斜齿轮淬火回火过程的模拟中获得温度、组织及应力的分布情况，观测到淬火过程中奥氏 体到马氏体及铁素体的转变过程，并直接获得淬火回火后组织的组成含量。江志强等应用FEM探究了热处理过程的最佳工艺及工件淬透性问题，他们据图Ia淬火 和图Ib回火过程的刀圈组织分布情况，提出在103

7、OC淬火+550C回火的工艺下，滚刀的 组织性能较好。潘伟平等根据模拟得到工件淬火过程中心部与外部的应力分布情况，预测了淬火开裂问 题。Eck等针对50CrV4钢制轮胎保护链在淬火过程中易产生高局部应力可能导致淬火裂纹 问题，采用FEM进行参数化模拟研究，优化了链环的几何形状，以减小拉伸应力。KrakhmaleV等采用Comsol软件的“固体传热”模块模拟了 AISI 420不锈钢的热循环和原 位组织演化过程。0.989 Mu0 015 , Max图1淬火和回火时工件的组织场分布情况：淬火，(b)回火15某些钢种在回火过程中存在碳化物析出现象，这些碳化物的存在对钢使用性能的影响很 大，但当前关

8、于碳化物析出过程的研究较少，Ju等通过对原有JU和InOUe模型的修正，建立 了模拟碳钢回火过程微观组织析出演变模型，该模型考虑了铁碳相的回火参数、碳含量和形 态及析出的E碳化物(carbide)与渗碳体的竞争关系；用改进的Avrami方程描述了残余奥氏 体分解为铁素体和渗碳体的动力学关系。因此该模型可分别预测碳原子的分离，碳化物和 渗碳体的析出，残留奥氏体的分解。将其应用于普通碳钢淬火回火过程的模拟，计算了不同 回火温度和时间下碳化物的体积分数。结果表明，回火时间对高温阶段碳化物的体积分数影 响较大，计算结果与理论描述基本一致。ESer等基于物理的析出模型和显微组织性能关系，对AbaqUS软

9、件进行二次开发，模拟 了 AISI H13热作工具钢碳化物的析出过程，得到了碳化物的含量及尺寸。画翻有限元法在正火、退火中的应用在正火和退火过程的模拟方面，王吉利用Ansys软件模拟分析了重载机车构架空冷时热 应力与温度分布的关系。葛光男等经模拟得出，淬火处理的钢板组织全部为马氏体，硬度分 布均匀，但应力过大，存在开裂的风险，而正火处理的钢板可获得马氏体+贝氏体组织，硬 度分布较均匀，且内应力明显降低。汪衡等采用SySWekI软件和LeblOnd组织转变模型模拟 分析了试样在淬火、正火、完全退火工艺下的屈服强度及残余应力的大小，显微组织的分布 类型和含量。画翻有限元法在有色金属及其合金析出相中

10、的应用侯延辉等建立了高Cu/Mg比的AI-CwMg-Ag合金峰值时效前微观结构演变及时效强化的 预测模型，使其可以预测两种强化粒子的半径和析出密度、溶质浓度随温度和时间的演变。 李超等通过AbaqUS软件的二次开发，将蠕变时效本构模型应用于铝合金时效成形的有限元 分析，获得铝合金等厚板在时效成形过程中的等效蠕变应变、屈服强度，以及析出相尺寸和 分布的变化规律。Li应用MSC.Marc软件预测了 ZK60镁合金热变形时其不同区域的组织演 变、高温流变行为和热加工稳定性。速E翻常用有限元软件共性特性介绍目前国内外常用的有限元模拟软件主要有AbaqUs、AnsysDeform SySWeId、Com

11、sok MarC等。在模拟流程方面各种模拟软件都包括前处理和后处理两个阶段。前处理主要包括工 件几何模型导入、网格划分、材料设置及边界条件设置；后处理包括模拟过程的演示图像分 析，可观测到温度、应力、变形及组织含量分布，并且可进行点跟踪分析和流动网格分析。 同时，各模拟软件都具有二次开发功能，可针对具体问题添加二次开发模型，扩展软件模拟 功能。在模拟内容方面，AbaqusAnsys Marc、ComSoI为通用有限元软件，应用范围较广。 AbaqUS具备十分丰富的单元库，可以模拟任何几何形状，其丰富的材料模型库可以模拟大 多数典型工程材料的性能，包括金属、橡胶、聚合物、复合材料、钢筋混凝土等，

12、能够解决 结构分析问题。AnSyS集流体、电磁、结构、热力学和声学等于一体，可以用来对结构场、 流体动力场、电磁场、声场以及多物理耦合场进行分析计算。MarC的开发初期被应用于核电 行业，逐渐扩展到航空航天、汽车、船舶、铁路、电子、机械制造等行业。COmSOI涵盖流体、 传热、结构力学、电磁场、化学反应、地球科学及多场耦合模型，以及自定义偏微分方程， 可帮助用户十分迅速地建立分析模型。材料属性、载荷、边界条件可定义为基于独立变量的 任意函数。Deform SySWeld为专用有限元软件，DefOrm专门用于分析金属成形问题，提 供极有价值的工艺分析数据，典型应用包括锻造、挤压、轧制等；SySW

13、eId主要用于焊接工 艺模拟仿真，Deform. SySWeId都具有用于热处理模拟的专用模块。随机性方法一蒙特卡罗法和元胞自动机法随机性方法也称为概率法，指采用概率模型来表征组织的演变过程。该方法包括蒙特卡 罗法、元胞自动机法。画翻蒙特卡罗法蒙特卡罗(MOnteCaHo, MC)法，是一种基于能量最小来计算组织演变的概率模拟方法。 在MC模型中，材料组织被离散成规则的点阵格点，每个格点包含有一系列状态变量，如晶 粒取向、溶质成分等，整个体系能量被表征为哈密顿能量(Hamiltonian),通过计算格点状态 变量改变前后的哈密顿能量(AH值)来控制微观组织的演变过程。MC法早期多用于模拟晶粒长

14、大及再结晶的现象，该方法多用于模拟热处理固态相变过 程，TOng等采用LandaU-Ginzberg的自由能模型模拟了 FeC二元系等温奥氏体铁素体的相 变过程，随后，TOng等又对上述模型进行改进，研究冷却速度对铁素体相体积分数和铁素 体晶粒大小的影响。由于缺乏物理背景，MC法在珠光体及马氏体转变方面研究较少。在析 出相方面，Haghighat等利用MC法研究了第二相粒子存在时的极限尺寸，提出可通过预测 微观组织的晶粒尺寸来评价微观组织均匀性的新方法。画翻元胞自动机法元胞自动机(CenUlaraUtOmata, CA)法，是一个空间、时间、系统状态都被看成离散化 的动力学系统。空间被一定格式

15、的网格划分为许多单元，其中的每个单元称为元胞，在网格 中，元胞的演化状态依据一个区域原则进行，在离散的时间步内，所有元胞同步更新，以此 使整个网格的状态发生变化。CA法用于模拟微观结构是Hesselbarth和Gobell在模拟再结晶的基础上发展起来的，该 方法考虑了形核位置和晶粒取向的随机性，因此在模拟晶粒长大、结构变化和形态转变方面 具有一定优势。CA法主要应用于模拟固态相变，其中模拟奥氏体铁素体相变过程的较多， KUmar等提出第一个模拟奥氏体铁素体相变的CA模型，使用该模型模拟了铁素体的形核过 程。随后，Varma等在此基础上提出连续冷却奥氏体向铁素体和珠光体转变的二维扩散模型, 使用该模型模拟了铁素体及珠光体的长大行为。Lan等引入晶界迁移速率模型计算了铁素体的生长，使用经典形核理论计算了铁素体的 形核率。相场法相场(PhaSefield, PF)法，其引入一个空间和时间的连续性函数相场变量(x, t)来区 分固相和液相。若系统中的相为单相，则为一个常数。如用=O表示液相，用=l表示 固相，两相之间的相变发生在扩散界面内。PF法将系统视为一个整体，通过求解描述系统的 偏微分方程组（相场模型）来反映扩散界面行为，随着模型的不断完善，相场模型逐渐被应用 到固态相变及