材料物理模擬技術(shù)的發(fā)展及其在中國的應(yīng)用

高 增，牛濟(jì)泰，2，3

（1.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，焦作454003；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001；3.河南晶泰航空航天高新材料科技有限公司，焦作454003）

0 引 言

物理模擬（Physical Simulation）是一個(gè)內(nèi)涵十分豐富的廣義概念，也是一種重要的科學(xué)方法和工程手段。通常，物理模擬是指縮小或放大比例，或簡(jiǎn)化條件，或代用材料，用試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠泶嬖偷难芯?。例如，新型飛機(jī)設(shè)計(jì)的風(fēng)洞試驗(yàn)、塑性成形過程中的密柵云紋法技術(shù)、電路設(shè)計(jì)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與試驗(yàn)電路以及宇航員的太空環(huán)境模擬試驗(yàn)艙等，均屬于物理模擬的范疇。對(duì)材料和熱加工工藝來說，物理模擬通常是指利用小試樣，借助某種試驗(yàn)裝置再現(xiàn)材料在制備或熱加工過程中的受熱或同時(shí)受熱、受力的物理過程，充分而精確地揭示材料在制備與熱加工過程中組織與性能的變化規(guī)律，評(píng)定或預(yù)測(cè)材料在制備或熱加工過程中可能會(huì)出現(xiàn)的問題，為制定合理的加工工藝以及研制新材料提供理論指導(dǎo)和技術(shù)依據(jù)。物理模擬試驗(yàn)一般分為兩種，一種是在模擬過程中進(jìn)行試驗(yàn)，另一種是模擬完成后進(jìn)行試驗(yàn)［1］。

以往，在材料科學(xué)研究或工程結(jié)構(gòu)及其零部件的生產(chǎn)中，為了評(píng)價(jià)工藝方案對(duì)材料性能或產(chǎn)品質(zhì)量的影響，多采用試驗(yàn)或試錯(cuò)的方法，這種單憑重復(fù)試驗(yàn)的“經(jīng)驗(yàn)”性方法不僅消耗大量時(shí)間與財(cái)力，而且得到的結(jié)果往往只是某一具體產(chǎn)品在特定情況下的工藝與性能的關(guān)系，不可能獲得產(chǎn)品在工藝過程中變化的全面規(guī)律，更不可能探索更深層次的科學(xué)問題，從而延滯新材料、新技術(shù)與新產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。材料現(xiàn)代物理模擬技術(shù)是一種高新技術(shù)，它融材料科學(xué)、傳熱學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、工程檢測(cè)技術(shù)、電子模擬技術(shù)以及計(jì)算機(jī)等多學(xué)科知識(shí)和技能為一體，構(gòu)成了一個(gè)獨(dú)特的、跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域。采用現(xiàn)代物理模擬技術(shù)，可以用少量的試驗(yàn)完成過去需要通過大量重復(fù)性試驗(yàn)才能得到的結(jié)果，不但可節(jié)省大量人力、物力，還可研究目前尚無法采用直接試驗(yàn)進(jìn)行研究的復(fù)雜問題。因此，現(xiàn)代物理模擬作為一門新興技術(shù)，已引起世界各國科學(xué)界和工程界的廣泛關(guān)注，其應(yīng)用范圍正迅速擴(kuò)大，并已成為21世紀(jì)材料研究的主要方法和手段［2-4］。為了給相關(guān)研究人員提供參考，作者對(duì)材料物理模擬技術(shù)的發(fā)展及其在中國的應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述。

1 材料物理模擬試驗(yàn)裝置

1.1 裝置的基本要求

材料與熱加工領(lǐng)域的物理模擬實(shí)際上是材料經(jīng)受熱/力物理過程的模擬。為了確保模擬結(jié)果的可信性以及模擬試驗(yàn)的高效率，除科學(xué)的試驗(yàn)方法外，最重要的是熱/力模擬試驗(yàn)裝置應(yīng)具備優(yōu)良的性能。對(duì)熱/力模擬試驗(yàn)裝置的基本要求包括：較全面的模擬功能，能進(jìn)行溫度、應(yīng)力及應(yīng)變的模擬；模擬試樣應(yīng)具有較寬的均溫區(qū)，包括沿試樣軸向和徑向的均溫區(qū)；具備對(duì)試樣施加較大的加熱及冷卻速率的能力；較大的加載能力，包括拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)以及疲勞載荷；較大與較小的加載速率；良好的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、物理參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)。

歸根結(jié)底，熱/力模擬試驗(yàn)裝置應(yīng)具備較高的模擬能力及模擬精度，以保證試驗(yàn)結(jié)果具有良好的再現(xiàn)性及重復(fù)性。所謂再現(xiàn)性，即模擬試驗(yàn)的結(jié)果能夠如實(shí)地模擬或反映實(shí)際構(gòu)件或材料的受熱與受力情況，從而精確再現(xiàn)出被模擬對(duì)象的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的變化。所謂重復(fù)性，即采用同樣的熱/力循環(huán)試驗(yàn)裝置進(jìn)行多次試驗(yàn)，各試驗(yàn)結(jié)果（或曲線）能夠互相吻合，即實(shí)現(xiàn)良好的重復(fù)［5-8］。

1.2 裝置的分類

迄今為止，各種型號(hào)的熱模擬試驗(yàn)裝置按加熱方式可分為在試樣上直接通電（電阻）加熱及高頻感應(yīng)加熱兩大類型。按模擬功能又可分為單一的熱模擬及兼有力學(xué)模擬功能的全模擬裝置。其力學(xué)試驗(yàn)又分拉、壓及熱扭轉(zhuǎn)等類型。世界上第一臺(tái)熱模擬試驗(yàn)機(jī)于1946年在美國誕生，并命名為Gleeble［9］。20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)和日本相繼研制了ИMET及Thermecmastor熱模擬試驗(yàn)機(jī)。從20世紀(jì)60年代開始，中國、英國和法國等也相繼開展了物理模擬試驗(yàn)裝置的研制。

目前世界上最先進(jìn)的、應(yīng)用較廣泛的是美國、日本制造的物理模擬試驗(yàn)裝置，具有代表性的有美國Gleeble-3800型和日本Thermecmastor-Z型熱模擬試驗(yàn)機(jī)，其中美國的Gleeble系列試驗(yàn)機(jī)采用電阻加熱，日本的Thermecmastor系列試驗(yàn)機(jī)采用感應(yīng)加熱［10-12］。

1.3 裝置的用途

物理模擬技術(shù)在材料領(lǐng)域的用途主要是進(jìn)行熱加工工藝優(yōu)化與新產(chǎn)品的開發(fā)，從而改進(jìn)工藝，提高產(chǎn)品性能，保證其安全服役。具體來說，材料物理模擬主要應(yīng)用于以下幾個(gè)領(lǐng)域。

1.3.1 焊接領(lǐng)域

眾所周知，焊接接頭中最脆弱的部位位于熱影響區(qū)，而熱影響區(qū)范圍相對(duì)較小，難以直接對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性能的研究。而采用物理模擬技術(shù)可以重現(xiàn)接頭熱影響區(qū)經(jīng)歷的熱物理過程，并建立焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖，簡(jiǎn)稱SH-CCT圖（Simulated HAZ Continuous Cooling Transformation），從而獲得焊接參數(shù)對(duì)接頭性能的影響規(guī)律并提出改進(jìn)方案。建立SH-CCT圖是物理模擬技術(shù)在焊接領(lǐng)域應(yīng)用最多的技術(shù)之一。除此之外，物理模擬技術(shù)在評(píng)定和預(yù)測(cè)金屬材料或熱加工工藝對(duì)焊接裂紋（包括熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂和應(yīng)力腐蝕開裂五大類型）的敏感性，以及在裂紋防治措施研究中也有著重要的應(yīng)用。

1.3.2 壓力加工領(lǐng)域

壓力加工是物理模擬技術(shù)應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域之一。壓力加工模擬不但需要熱模擬，還需要大量地應(yīng)用力學(xué)系統(tǒng)的模擬，與其它領(lǐng)域的模擬相比，壓力加工模擬技術(shù)比較復(fù)雜，難度也較大，應(yīng)用范圍也更加廣泛。在進(jìn)行材料的壓力加工物理模擬試驗(yàn)時(shí)，變形溫度、變形速度、變形量以及變形抗力是必須考慮的熱力學(xué)基本條件，是物理模擬的基本參數(shù)。變形抗力是表征金屬與合金塑性加工性能的一個(gè)最基本的量，目前主要應(yīng)用拉伸法、圓柱體單向壓縮法、平面應(yīng)變壓縮法、扭轉(zhuǎn)法、軋制法等試驗(yàn)方法測(cè)金屬的變形抗力，其中前三種方法比較常用。在物理模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行軋制變形抗力的測(cè)定時(shí)主要是采用流變應(yīng)力壓縮法（圓柱體單向壓縮法）和平面應(yīng)變壓縮法。另外，物理模擬技術(shù)在形變奧氏體再結(jié)晶規(guī)律的研究中也起到了重要作用，通常采用再結(jié)晶軟化曲線來顯示奧氏體再結(jié)晶規(guī)律，也可建立奧氏體的再結(jié)晶圖來描述再結(jié)晶程度與變形溫度、變形量的關(guān)系。此外，物理模擬技術(shù)還可用于壓力加工過程中的超塑性研究以及動(dòng)態(tài)CCT（Continuous Cooling Transformation）曲線的測(cè)定。動(dòng)態(tài)CCT曲線可以系統(tǒng)地顯示出熱變形參數(shù)及在線冷速對(duì)相變開始溫度、相變速度和相變組織的影響，是優(yōu)化鋼種成分以及選擇合適的熱變形工藝的重要依據(jù)。目前多采用圓柱體單向壓縮試驗(yàn)測(cè)材料的CCT曲線。

1.3.3 鑄造領(lǐng)域

澆注是最常見的鑄造方式，也是物理模擬的主要研究對(duì)象。鑄造物理模擬的主要任務(wù)是盡可能妥善地控制熔化與結(jié)晶，再現(xiàn)凝固結(jié)晶條件，研究金屬的鑄造特性和高溫性能，優(yōu)化合金成分，確定合理的鑄造工藝。鑄造模擬的主要參數(shù)是冷卻速率、溫度梯度以及冷卻時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變。與焊接和壓力加工相比，鑄造物理模擬控制參數(shù)的變換并不復(fù)雜，但是參數(shù)控制精度的保證卻有一定難度，主要是高溫液態(tài)金屬的保持、溫度的精確測(cè)量與控制以及在小載荷下加載精度的實(shí)現(xiàn)。在Gleeble試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)，試樣多為圓棒狀或矩形截面，圓棒狀試樣多用于研究金屬的高溫性能，矩形截面試樣主要用于連鑄的模擬。為防止高溫時(shí)金屬的氧化，鑄造物理模擬必須在真空或惰性氣氛中進(jìn)行。

1.3.4 新材料研制及熱處理領(lǐng)域

新材料的研制與材料成分設(shè)計(jì)、制備工藝密切相關(guān)，提高材料性能的根本出路一是優(yōu)化成分，二是采用先進(jìn)的制造技術(shù)，包括合理的熱處理工藝。而先進(jìn)工藝的基礎(chǔ)則是優(yōu)化材料在制備時(shí)所經(jīng)受的熱/力過程，因此物理模擬技術(shù)在新材料研制領(lǐng)域的主要任務(wù)就是研究新材料組元的合理配比、雜質(zhì)與夾雜物的控制與利用、組織結(jié)構(gòu)與材料性能的關(guān)系以及熱/力處理工藝對(duì)材料組織的影響，為獲得優(yōu)良的微觀組織和使用性能提供基礎(chǔ)理論和技術(shù)依據(jù)，并實(shí)現(xiàn)材料性能的定量分析和預(yù)報(bào)。例如，采用Gleeble-3800型熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)的多軸大變形系統(tǒng)，可使試樣在沒有被破壞的前提下經(jīng)受無限制的變形，并能保持應(yīng)變、應(yīng)變速率和變形溫度的精確控制，從而研發(fā)出超細(xì)晶材料和納米材料。

2 材料物理模擬裝置與技術(shù)在中國的發(fā)展與應(yīng)用

2.1 物理模擬試驗(yàn)裝置方面

我國從20世紀(jì)60年代初就開始應(yīng)用物理模擬技術(shù)并開始研制熱模擬試驗(yàn)裝置，最早開始研究的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、鋼鐵研究總院及沈陽金屬材料研究所等單位。1981年，哈爾濱焊接研究所開發(fā)了由電子程序控制、功率為200kW的HRM-1型熱模擬試驗(yàn)機(jī)；1985-1987年，洛陽船舶研究所先后研制出了CKR-2型和DM-100型焊接熱模擬機(jī)，1996年，又開發(fā)出了DM-100A型焊接熱模擬機(jī)；21世紀(jì)初，東北大學(xué)研制出了MMS-100型及MMS-200型多功能材料試驗(yàn)機(jī)，并在濟(jì)南鋼廠得到應(yīng)用［13-14］。

總的來說，我國早期的熱模擬裝置基本上是模仿或借鑒前蘇聯(lián)的ИMET試驗(yàn)機(jī)以及美國的Gleeble系列試驗(yàn)機(jī)，由于科研經(jīng)費(fèi)不充足，我國熱模擬試驗(yàn)機(jī)的自主研發(fā)水平始終與國外存在較大差距。近些年來，國內(nèi)一些單位都是立足于引進(jìn)美國Gleeble系列和日本Thermecmastor系列試驗(yàn)機(jī)，其中Gleeble系列試驗(yàn)機(jī)在我國占有壟斷地位。自1981年以來，我國（含臺(tái)灣）引進(jìn)的Gleeble系列試驗(yàn)機(jī)超過110多臺(tái)/套，單個(gè)國家擁有量位居世界第一，占世界Gleeble系列試驗(yàn)機(jī)總量的三分之一。在國內(nèi)，日本富士電波Thermecmastor系列產(chǎn)品的占有量較少，自武鋼1987年首次引進(jìn)該公司的10t熱模擬裝置Thermecmastor-W以來，寶鋼也于1991年首次引進(jìn)了該公司的10t熱模擬裝置Thermecmastor-Z，其他一些單位也先后引進(jìn)了該公司的設(shè)備。在21世紀(jì)初，該公司借鑒電阻加熱方式，研制出了最新型的30t雙電源單體化Thermecmastor-Z型熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)。

2.2 物理模擬技術(shù)交流方面

雖然我國物理模擬試驗(yàn)裝置的自主研發(fā)水平落后于美國和日本，但在物理模擬技術(shù)研究與交流方面的活動(dòng)卻開展得很活躍。1990-2013年，以中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等主要單位發(fā)起的“材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬國際學(xué)術(shù)會(huì)議”已在我國成功舉辦了6次，參加會(huì)議的國別和人數(shù)由第一次的4個(gè)國家80多名代表發(fā)展到第六次的38個(gè)國家和地區(qū)的550名代表?！暗谄邔貌牧吓c熱加工物理模擬及數(shù)值模擬國際學(xué)術(shù)會(huì)議”也已于2013年6月16-19日首次在國外（芬蘭奧盧市）成功舉辦。在上述系列會(huì)議中，約60%的論文均涉及材料物理模擬方面的技術(shù)內(nèi)容，這為促進(jìn)物理模擬技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用，以及與世界先進(jìn)物理模擬技術(shù)的接軌和交流起到了重要的推動(dòng)作用。

物理模擬的精度是物理模擬技術(shù)得以應(yīng)用、推廣和發(fā)展的先決條件。幾十年來，伴隨著模擬試驗(yàn)設(shè)備功能的開發(fā)，模擬精度的提高一直是材料與熱加工界十分關(guān)注的話題。提高物理模擬精度的途徑有三條：研制先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備及附件；實(shí)施合理的試驗(yàn)方法與技術(shù)；對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的處理或修正。在試驗(yàn)裝備方面，對(duì)于生產(chǎn)廠家來說，主要是進(jìn)一步提高設(shè)備的模擬能力和附件的測(cè)量精度；對(duì)于廣大材料工作者來說，主要是根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪x擇合適的試驗(yàn)設(shè)備與檢測(cè)手段。如在進(jìn)行物理模擬試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于帶缺口或變截面的試樣來說，為了獲得較寬的均溫區(qū)，或者為了模擬某些非導(dǎo)電材料的熱加工工藝，應(yīng)以使用感應(yīng)加熱的設(shè)備為宜；但感應(yīng)加熱由于受表面集膚效應(yīng)的制約，加熱與冷卻速率受到限制。電阻式加熱可以獲得比感應(yīng)加熱大得多的加熱與冷卻速率，但試樣沿軸線方向的溫度梯度應(yīng)予以密切關(guān)注，因?yàn)闇囟忍荻葘⒂绊戄S向變形時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變的精確測(cè)量。因此，控制好電阻加熱試樣均溫區(qū)寬度和溫度梯度是提高模擬精度的重要環(huán)節(jié)。筆者曾對(duì)電阻加熱試樣的軸向溫度梯度進(jìn)行過較深入的研究。對(duì)于φ10mm×12mm的碳鋼圓柱體壓縮試樣，在采用碳化鎢壓頭和石墨潤滑的情況下，當(dāng)工作溫度為900℃時(shí)，試樣中部與端部的溫差為15℃；當(dāng)工作溫度為1 200℃時(shí)，溫差為43℃。增大試樣直徑可使軸向溫差降低。另外，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的溫度控制，需要一定的保溫時(shí)間，如在加熱時(shí)當(dāng)溫度升至試驗(yàn)溫度后，應(yīng)至少保溫3min，這樣才能使整個(gè)工作區(qū)達(dá)到均勻的試驗(yàn)溫度；而冷卻時(shí)，在降到預(yù)定溫度后需保持幾秒即可使工作區(qū)溫度均勻。在測(cè)溫過程中，對(duì)于截面尺寸為20～200mm2的試樣，熱電偶絲的直徑選用0.25mm較適宜。此外，熱電偶的焊接方式對(duì)測(cè)溫精度也有影響。一般情況下，熱電偶有三種焊接方式，第一種是將兩根熱電偶絲端部擰到一起，然后焊接到試樣上；第二種是先將兩根熱電偶絲端部焊在一起，然后再焊接到試樣上；第三種是將兩根熱電偶絲分別焊接在試樣上。當(dāng)被測(cè)溫度為1 400℃時(shí)，上述三種焊接方式的測(cè)量誤差分別為5%，2.5%，0.8%，因此應(yīng)采用第三種熱電偶焊接方式，但應(yīng)注意將兩根熱電偶絲焊在與試樣軸線垂直的同一等溫截面上。

從某種意義上說，物理模擬精度的提高是一個(gè)系統(tǒng)工程，物理模擬工作者及應(yīng)用模擬技術(shù)的研究人員，應(yīng)針對(duì)所模擬的具體對(duì)象，設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)方案，確定有效的控制模式，精心編制計(jì)算機(jī)程序，特別是要靈活設(shè)計(jì)試樣的形狀和尺寸，以及相應(yīng)的自由跨度與卡具系統(tǒng)，以便最大限度地模擬材料或構(gòu)件的實(shí)際受熱與受力過程。同時(shí)，還要特別注意溫度與形變信號(hào)的精確測(cè)量與提取，以及信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采樣速率和采集時(shí)間，把試驗(yàn)結(jié)果完整準(zhǔn)確地顯示出來。

為了進(jìn)一步推動(dòng)物理模擬及數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，使交流上升到一個(gè)更高的層面，在2013年6月16-19日于芬蘭舉行的“第七屆材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬國際學(xué)術(shù)會(huì)議”期間，共計(jì)來自23個(gè)國家的數(shù)百名代表經(jīng)過充分協(xié)商，一致同意成立一個(gè)國際性的學(xué)術(shù)組織——“材料物理模擬及數(shù)值模擬聯(lián)合會(huì)”，基于我國在材料物理模擬及數(shù)值模擬國際學(xué)術(shù)交流方面的突出貢獻(xiàn)，此聯(lián)合會(huì)總部設(shè)在中國上海，掛靠于中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)材料分會(huì)，并選舉牛濟(jì)泰教授任聯(lián)合會(huì)主席，美國Ferguson David博士、俄羅斯Chumachenko E.N.教授、日本Lino Hitoshi博士擔(dān)任副主席，并決定建立一個(gè)國際性的電子學(xué)術(shù)刊物。

2.3 物理模擬技術(shù)應(yīng)用方面

在中國幾百臺(tái)物理模擬試驗(yàn)裝備中，大約有一半分布于各大鋼鐵公司，四分之一分布于高等院校，另四分之一分布于研究院所。物理模擬技術(shù)在中國鋼鐵企業(yè)發(fā)揮了極其重要的作用，不但使中國鋼鐵的產(chǎn)量、品種和質(zhì)量得到了迅速提高，而且促進(jìn)了中國機(jī)械工業(yè)、建筑行業(yè)、汽車制造業(yè)的發(fā)展。在高等院校和研究院所，物理模擬技術(shù)主要用于新型結(jié)構(gòu)材料和功能材料的研發(fā)以及熱加工工藝的優(yōu)化，為新材料開發(fā)提供了理論和技術(shù)支持。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)自從1987年引進(jìn)Gleeble-1500型熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)以來進(jìn)行了很多研究工作，主要研究成果如下。

（1）“細(xì)編穿刺碳-碳復(fù)合材料的高溫力學(xué)行為與性能預(yù)報(bào)”。由于Gleeble-1500型熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)常用的熱電偶的測(cè)溫上限為1 500℃，而PUL-SARII-1700型光電高溫計(jì)最高也只能達(dá)到1 650℃。而細(xì)編穿刺碳-碳復(fù)合材料由于具有優(yōu)良的高溫性能，在非氧化環(huán)境中于2 500℃的高溫下仍能保持室溫時(shí)的力學(xué)性能，在氧化環(huán)境中，其使用溫度也可高達(dá)1 650℃，故采用Gleeble-1500型熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)本身的測(cè)溫系統(tǒng)將不能完成它的測(cè)溫過程。因此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用國產(chǎn) W-3Re/W-25Re鎢錸熱電偶作為測(cè)溫元件，對(duì)引進(jìn)的Gleeble-1500型熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)的熱電偶線性化補(bǔ)償器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了新的匹配補(bǔ)償電路，使熱電偶在0～2 300℃范圍內(nèi)的線性測(cè)量精度達(dá)±1%；此外，還對(duì)Gleeble-1500型熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)的配套構(gòu)件光電高溫計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)與匹配了孔徑光欄系統(tǒng)，從而在熱模擬機(jī)上完成了2 800～3 200℃下碳基復(fù)合材料的高溫性能模擬試驗(yàn)［15-18］。

（2）“空間環(huán)境下鋁合金焊接接頭安全可靠性評(píng)定和壽命預(yù)測(cè)”［19-20］。在該項(xiàng)目中，通過在熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)上對(duì)鋁合金焊接接頭進(jìn)行空間環(huán)境的熱/力模擬試驗(yàn)，對(duì)特定空間環(huán)境下承載焊接接頭的損傷失效行為進(jìn)行了研究，并將物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合，對(duì)焊接接頭各區(qū)域力學(xué)性能以及細(xì)觀損傷參數(shù)分別進(jìn)行了測(cè)定和計(jì)算，建立了空間熱循環(huán)下承載鋁合金焊接接頭的損傷模型。該研究發(fā)現(xiàn)了有關(guān)空間熱循環(huán)條件下承載鋁合金焊接接頭新的細(xì)觀損傷與失效機(jī)制，建立了熱循環(huán)輔助孔洞形核機(jī)制，對(duì)熱循環(huán)條件下材料的宏觀性能演化及尺寸不穩(wěn)定效應(yīng)進(jìn)行了理論解析與定量計(jì)算［21-23］，研究成果有助于豐富和發(fā)展孔洞型細(xì)觀損傷理論，亦對(duì)航天器設(shè)計(jì)有所幫助。

（3）“耐磨鋼（NM-360）耐磨性及焊接性預(yù)測(cè)模型與工藝優(yōu)化”。該項(xiàng)目為哈爾濱工業(yè)大學(xué)與武鋼合作的新產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目。通過在Gleeble-1500D型熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行焊接熱模擬試驗(yàn)，得到模擬焊接熱循環(huán)數(shù)據(jù)，繪制了NM-360鋼的SH-CCT曲線，并測(cè)定了奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ac1和終了溫度Ac3，該曲線不但展現(xiàn)了該鋼種的焊接性，而且可參考其制訂避免焊接裂紋產(chǎn)生的合理的熱輸入、焊接參數(shù)與應(yīng)采取的措施。此外，還建立了工藝參數(shù)與耐磨鋼硬度的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，并獲得了硬度不低于320HB鋼級(jí)耐磨鋼回火脆性和焊接冷裂紋的產(chǎn)生原因及消除措施；向武鋼提供了最優(yōu)軋制參數(shù)、最佳焊接參數(shù)以及控制過程軟件包［24］。

此外，許多研究者們也對(duì)材料加工過程進(jìn)行了物理模擬并對(duì)使用物理模擬設(shè)備過程中存在的問題進(jìn)行了探討。如，李紅斌等［25］對(duì)熱模擬試驗(yàn)機(jī)壓縮試驗(yàn)中的溫度彈跳進(jìn)行了分析，認(rèn)為在Gleeble-3500型熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行圓柱體單向壓縮試驗(yàn)時(shí)，由于熱電偶間距的增大會(huì)導(dǎo)致溫度降低，試驗(yàn)溫度為1 150℃時(shí)的溫度彈跳較大，最大可達(dá)6℃；隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，彈跳值迅速減小，在隨后的冷卻過程中，在-0.5～4℃的范圍內(nèi)波動(dòng)，故而壓縮后的熱電偶距離變大并不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成太大的影響。此外，由于試樣壓縮后電阻的變化，可導(dǎo)致溫度升高約3.59℃。在沒有電流加熱的情況下，導(dǎo)致試樣在壓縮過程中溫度升高的主要原因是由于壓縮過程對(duì)試樣做功而導(dǎo)致了溫度升高［26］。部分研究者［27］對(duì)熱/力模擬試樣的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，并認(rèn)為，采用銅夾具夾持試樣時(shí)，試樣的溫度梯度很大。對(duì)于尺寸為φ6mm×70mm的試樣來說，在自由跨度為20mm時(shí)，均溫區(qū)長(zhǎng)度只有4～5mm。影響均溫區(qū)長(zhǎng)度的主要因素為自由跨度的大小，自由跨度越大均溫區(qū)長(zhǎng)度越大，試樣與夾具的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)其影響較小，而加熱速率對(duì)其則沒有影響［28-29］。因此在進(jìn)行試樣組織分析時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制觀測(cè)界面的位置。還有一些研究者［30-32］也將物理模擬技術(shù)應(yīng)用到了連鑄工藝模擬試驗(yàn)中。在連鑄過程中，帶液芯的坯殼承受來自鋼液的靜壓力以及熱應(yīng)力、彎曲-矯直力、摩擦力、機(jī)械力等外力作用，如果這些外力的綜合作用超過了鋼的高溫臨界強(qiáng)度和臨界應(yīng)變，鑄坯就會(huì)產(chǎn)生裂紋，并且裂紋在冷凝時(shí)還會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展。為避免微裂紋的萌生與擴(kuò)展，一般采用熱拉伸法。對(duì)熱拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可得到熱塑性及熱強(qiáng)性曲線，從中可以找出鑄坯在凝固過程中塑性和強(qiáng)度經(jīng)歷的3個(gè)溫度區(qū)（熔點(diǎn)脆化區(qū)、延性區(qū)、脆化區(qū)），這3個(gè)溫度區(qū)可為連鑄二冷動(dòng)態(tài)配水模型的制定提供指導(dǎo)。

3 存在問題與建議

盡管我國在物理模擬技術(shù)領(lǐng)域取得了令人矚目的成就，但仍然存在許多問題，如：物理模擬設(shè)備的使用效率差別較大；物理模擬設(shè)備的功能開發(fā)良莠不齊；物理模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析、歸納和科學(xué)表征等后續(xù)銜接工作不夠完善，造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)浪費(fèi)；對(duì)物理模擬設(shè)備故障的維修和排除能力相對(duì)較弱。

因此，筆者建議從如下三個(gè)方面予以改善：首先應(yīng)當(dāng)將高校的人才優(yōu)勢(shì)和企業(yè)的設(shè)備優(yōu)勢(shì)進(jìn)行有效整合，充分發(fā)揮設(shè)備的潛力；其次是加強(qiáng)試驗(yàn)設(shè)備操作人員的技術(shù)培訓(xùn)，創(chuàng)造各種條件加強(qiáng)他們?cè)诓牧稀C(jī)械和自動(dòng)控制等方面的知識(shí)；再次是成立國際物理模擬技術(shù)聯(lián)合會(huì)和技術(shù)交流信息網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)裝置功能開發(fā)與應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)交流，提升物理模擬技術(shù)的應(yīng)用水平并擴(kuò)大物理模擬技術(shù)的應(yīng)用范圍。

［1］NIPPES E F，SAVAGE W F.Development of specimen simulating weld heat-affected zones［J］.Welding Journal，1949，28（11）：534-546.

［2］LUO Z A，SU H L.Development of new thermo-mechanical simulator［J］.Acta Metallurgica Sinica，2004，7（1）：3-37.

［3］胡美娟，韓新利，何小東，等.焊后冷卻時(shí)間對(duì)X80級(jí)抗大變形管線鋼焊接粗晶熱影響區(qū)組織的影響［J］.機(jī)械工程材料，2012，36（6）：42-48.

［4］FERGUSON H S，CHEN W C.Development of Gleeble system and its applications［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，1996，28（12）：12-33.

［5］牛濟(jì)泰.材料和熱加工領(lǐng)域的物理模擬技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999.

［6］梁皖倫，方金鳳.熱模擬試驗(yàn)在金屬熱變形研究中的應(yīng)用［J］.理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2001，27（11）：70-72.

［7］Dynamic Systems Inc.Gleeble user training 2009，Gleeble systems and applications［M］.New York：Dynamic System Inc Press，2007.

［8］馮瑩瑩，駱宗安，蘇海龍，等.MMS系列熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化［J］.軋鋼，2012，29（3）：51-55.

［9］NIPPES E F，SAVAGE W F.Tests of specimens simulating weld heat-affected zones［J］.Welding Journal，1949，28（12）：599-616.

［10］FERGUSON H S.Dynamic thermal/mechanical simulators and simulation of welding，formation and casting［M］.Beijing：International Academic Publishers，1991.

［11］Fuji Dempa Kori Co Ltd.Specification of thermecmastor-Z，high temperature deformation simulation and mechanical testing machine［R］.Tokyo：［s.n］，1996.

［12］JI T，XU Z Z.An overview on the development of thermal materials testing equipment and simulation technology in China and other countries throughout the world［R］.Beijing：International Academic Publishers，1991：3-15.

［13］駱宗安，蘇海龍，魏謹(jǐn)，等.多功能熱力模擬試驗(yàn)機(jī)的研制與應(yīng)用［J］.機(jī)械工程材料，2006，30（12）：60-65.

［14］駱宗安，蘇海龍.一種新的物理模擬手段—MMS-100熱力模擬試驗(yàn)機(jī)的研制［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2003，10（5）：57-59.

［15］歐長(zhǎng)春，賀承誠.DM-100焊接熱模擬機(jī)控制系統(tǒng)研究［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，1991，6（6）：29-33.

［16］張卯瑞，梅曉榕.擴(kuò)展Gleeble-1500型材料熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)溫度范圍方法研究［C］//中美雙邊暨第二屆全國材料物理模擬會(huì)議論文集.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997：333-335.

［17］韓杰才.多向碳/碳復(fù)合材料超高溫力學(xué)性能與微結(jié)構(gòu)演化［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，1992.

［18］牛濟(jì)泰，韓杰才，翟瑾蕃，等.碳基纖維復(fù)合材料的高溫模擬試驗(yàn)方法［C］//國際動(dòng)態(tài)熱/力模擬技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990：286-289.

［19］JIN C，NIU J T，HE S Y.Damage and fracture behaviours of 5A06aluminium alloy welded joint under thermal cycling condition［J］.Science and Technology of Welding and Joining，2007，12（5）：418-422.

［20］趙大為.空間熱循環(huán)和輻照環(huán)境對(duì)LF6鋁合金焊接組織及性能的影響［D］.焦作：河南理工大學(xué)，2010.

［21］NIU J T，JIN C.An investigation of thermal mismatch stress assisted void nucleation in welded Al alloy joints［J］.Journal of Computational and Theoretical Nanoscience，2008，5（8）：1783-1787.

［22］JIN C，NIU J T，HE S Y.Study on micro-damage of Al alloy welded joint in simulated aerospace thermal cycling condition［C/OL］// ［2014-03-04］.http：//link.springer.com/chapter/10.1007/978-1-4020-6239-1＿233.

［23］金成，何世禹，牛濟(jì)泰，等.熱循環(huán)對(duì)LF6鋁合金焊接接頭斷裂機(jī)理的影響［J］.失效分析與預(yù)防，2008，3（1）：35-37.

［24］GAO Z，NIU J T.Study on microstructure and impact ductility of simulated weld HAZ of high-strength wear-resistant steel NM360［J］.Reviews on Advanced Materials Science，2013，33（3）：232-237.

［25］李紅斌，葛曉紅，徐樹成.關(guān)于熱模擬試驗(yàn)機(jī)壓縮試驗(yàn)中溫度彈跳的分析［J］.理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2012，48（1）：15-17.

［26］胡克邁.Gleeble3500數(shù)控?zé)釞C(jī)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)［J］.物理測(cè)試，2006，24（5）：35-37.

［27］沈曉輝，閆軍，高霖，等.Gleeble熱力模擬試驗(yàn)機(jī)試樣溫度場(chǎng)分析［J］.金屬熱處理，2010，35（9）：121-124.

［28］BROWN S G R，JAMES J D，SPITTLE J A.A 3Dnumerical model of the temperature-time characteristics of specimens tested on a Gleeble thermomechanical simulator［J］.Modelling Simulation of Material Science and Engineering，1997（5）：539-548.

［29］NORRIS S D，WILSON I.Application of 3Dnumerical modeling for thermal profile optimization on the Gleeble thermomechanical simulation［J］.Modelling Simulation of Material Science and Engineering，1999（7）：297-309.

［30］鄭芳，宋紅梅.Gleeble 3800熱力模擬試驗(yàn)機(jī)在寶鋼的典型應(yīng)用與功能開發(fā)［J］.寶鋼技術(shù)，2003（5）：29-32.

［31］趙寶純，李桂艷，楊靜.Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用研究［J］.鞍鋼技術(shù)，2010（5）：28-31.

［32］劉詠，周科朝，林映紅，等.鋁合金鑄軋組織的物理模擬［J］.中國有色金屬學(xué)報(bào)，2003，13（3）：559-593.