材料物理模擬技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展及其應(yīng)用

梁灝

摘 要：在制作材料與熱加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)多種物理與力學(xué)行為，這部分行為很難定量預(yù)估，使用物理模擬技術(shù)能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)物理力學(xué)行為。因此，本文對(duì)材料物理概念進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，然后探討了材料物理模擬技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展與應(yīng)用，以供參考。作為高中生，除去需要學(xué)習(xí)課本知識(shí)以外，還需要了解其他領(lǐng)域的知識(shí)。就材料物理模擬而言，我們知道，在過(guò)去材料研究過(guò)程中，為評(píng)估工藝方案對(duì)材料性能的影響，使用了試驗(yàn)的方式，這種憑借反復(fù)試驗(yàn)的方式花費(fèi)時(shí)間較多，同時(shí)得到的結(jié)果僅僅是某一個(gè)產(chǎn)品在特殊條件下的工藝和性能關(guān)系，無(wú)法探究高層次的科學(xué)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：材料 物理模擬技術(shù) 發(fā)展 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TB302.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（c）-0097-02

1 材料物理概念

材料物理就是概述固體材料的電磁、光熱、彈性等性能的物理模型、變化的基本規(guī)律與影響因素、基礎(chǔ)性能測(cè)試方式。作為高中生，為了可以給將來(lái)進(jìn)入大學(xué)打下扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，需要了解到其是大學(xué)本科材料類型專業(yè)必修課程。一些從事了材料物理性能教學(xué)和探究工作多年的人感覺(jué)到了為了全面適應(yīng)材料科學(xué)發(fā)展與應(yīng)用領(lǐng)域需求，原工料物理性能課程內(nèi)容必須要拓展開(kāi)來(lái)，需要在相同學(xué)科基礎(chǔ)之上把半導(dǎo)體、電介質(zhì)與聚合物等工程下料均當(dāng)作材料物理考察對(duì)象。思考到攻克學(xué)生比較關(guān)注物理概念與潛在工程運(yùn)用特征，在實(shí)際開(kāi)展教學(xué)的過(guò)程中需要關(guān)注到知識(shí)銜接情況下防止復(fù)雜的數(shù)據(jù)推導(dǎo)而突出關(guān)系式物理意義，盡可能使用形象直觀的曲線圖且提供必要數(shù)據(jù)信息。

2 材料物理模擬技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展和運(yùn)用

2.1 物理模擬試驗(yàn)裝置

整體而言，中國(guó)最早的熱模擬裝置是模仿前蘇聯(lián)HMET試驗(yàn)機(jī)與美國(guó)Gleeble試驗(yàn)機(jī)，因?yàn)榭茖W(xué)研究費(fèi)用不夠，中國(guó)熱模擬試驗(yàn)機(jī)研制水平和西方國(guó)家有著一定的差距。近期，中國(guó)一部分單位立足于引入美國(guó)Gleeble與日本國(guó)家的Thermecmastor試驗(yàn)機(jī)，在這之中，Gleeble試驗(yàn)機(jī)在中國(guó)獨(dú)占鰲頭。到了20世紀(jì)80年代，中國(guó)引入的Gleeble試驗(yàn)機(jī)超出100多臺(tái)，單個(gè)國(guó)家具備量排在全球首位，占據(jù)全球Gleeble試驗(yàn)機(jī)總數(shù)的1/3。在中國(guó)，日本國(guó)家Thermecmastor產(chǎn)品數(shù)目不多，此后武鋼第一次引入了該單位的10t熱模擬裝置Thermecmastor-W以來(lái)，寶鋼在21世紀(jì)初引入了Thermecmastor-Z，別的公司引入了該單位設(shè)備。

2.2 物理模擬技術(shù)交流

雖中國(guó)物理模擬試驗(yàn)裝置自行研制的水平比不上發(fā)達(dá)國(guó)家，可是在物理模擬技術(shù)探索和溝通方面的活動(dòng)進(jìn)行得很順暢。在20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)等單位發(fā)起了材料和熱加工物理模擬與數(shù)值模擬會(huì)議，在中國(guó)舉行了幾次，參與會(huì)議的國(guó)家與人數(shù)從首次的4個(gè)國(guó)家80個(gè)代表，變成了6次38個(gè)國(guó)家與地區(qū)500多名代表。材料和熱加工物理模擬與數(shù)值模擬國(guó)際會(huì)議在2013年第一次在芬蘭舉行。

物理模擬精度是物理模擬技術(shù)得到廣泛運(yùn)用與發(fā)展的前提條件和基礎(chǔ)。這些年來(lái)，隨著模擬試驗(yàn)設(shè)備功能的不斷研發(fā)，模擬精度提升始終是材料和熱加工界探討的一大話題。提升物理模擬精度的方式就是：（1）研發(fā)出新的試驗(yàn)設(shè)備；（2）采用科學(xué)的試驗(yàn)方式和技術(shù)；（3）有效處理與修正試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)裝備層面，對(duì)生產(chǎn)商而言，就是提升設(shè)備模擬能力與附件測(cè)量精度，對(duì)很多材料工作人員而言，是按照試驗(yàn)?zāi)康奶暨x試驗(yàn)設(shè)備和檢測(cè)方法。比如，在開(kāi)展物理模擬試驗(yàn)的過(guò)程中，對(duì)帶缺口的試樣而言，要想得到很寬的均溫區(qū)，需要采用感應(yīng)加熱設(shè)備?？墒歉袘?yīng)加熱因?yàn)樵獾奖砻婕w效應(yīng)所影響，加熱和冷卻速率有一定的局限性。電阻加熱能夠得到比感應(yīng)加熱大的加熱和冷卻速率，可是試樣圍繞軸向方向的溫度需要給予一定的關(guān)注力度，原因在于溫度會(huì)對(duì)軸向變形應(yīng)力以及應(yīng)變測(cè)量帶來(lái)非常大的影響。所以，把控電阻加熱試樣均溫區(qū)寬度與溫度可以有效提升模擬精度。如對(duì)10mm×12mm的碳鋼圓柱體壓縮試樣，使用碳化鎢壓頭與石墨潤(rùn)滑時(shí)，工作溫度是900℃，試樣中部及端部溫度相差15℃。而溫度是1200℃時(shí)，溫度相差42℃。將試樣直徑變大能夠減小軸向溫差。除此以外，為穩(wěn)定溫度，必須要具備保溫時(shí)間。

2.3 物理模擬技術(shù)應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)很多臺(tái)物理模擬試驗(yàn)設(shè)備中，大概有1/2分布在各個(gè)鋼鐵單位，而還有一小部分分布在高校中，剩下的就分布在研究所。物理模擬技術(shù)在國(guó)內(nèi)鋼鐵公司中起著重要作用，不僅提升了鋼鐵品質(zhì)，還推動(dòng)了機(jī)械工業(yè)與建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在高校與研究所，物理模擬技術(shù)通常使用在新的結(jié)構(gòu)材料與功能材料研制和熱加工優(yōu)化上，給新材料研制提供了技術(shù)支持。

第一，空間環(huán)境中鋁合金焊接接頭安全評(píng)價(jià)與使用時(shí)間預(yù)測(cè)。在這一項(xiàng)目里面，經(jīng)過(guò)在熱模擬試驗(yàn)機(jī)中對(duì)鋁合金焊接接頭開(kāi)展空間環(huán)境熱模擬試驗(yàn)，對(duì)指定空間下承載焊接接頭的損失失效行為展開(kāi)了探索與分析，同時(shí)把物理模擬和數(shù)值模擬相融，對(duì)焊接接頭區(qū)域力學(xué)性能展開(kāi)了計(jì)算，構(gòu)建了空間熱循環(huán)下承載鋁合金焊接接頭損傷模型。經(jīng)過(guò)這一探索可以了解到，相關(guān)空間熱循環(huán)情況下承載鋁合金焊接接頭新?lián)p傷和失效制度，構(gòu)建了熱循環(huán)輔助性孔洞形核制度，對(duì)熱循環(huán)下材料性能演變與大小不穩(wěn)定效應(yīng)展開(kāi)了理論分析。探究成果益于豐富孔洞細(xì)觀損傷理論。

第二，耐磨鋼耐磨性和焊接性預(yù)估模型及工藝優(yōu)化。這一項(xiàng)目是黑龍江哈爾濱工業(yè)大學(xué)和武鋼協(xié)作研制的新產(chǎn)品項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)在Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展焊接熱模擬試驗(yàn)，獲得模擬焊接熱循環(huán)數(shù)據(jù)新型，制作了NM-360鋼SH-CCT曲線，與此同時(shí)測(cè)定了奧氏體改變的溫度，這一曲線不僅充分體現(xiàn)了這種鋼的焊接性，并且還可以借鑒別的制定防止焊接縫隙出現(xiàn)的合理熱輸入與焊接參數(shù)。除此以外，構(gòu)建了工藝參數(shù)和耐磨鋼硬度動(dòng)力學(xué)關(guān)系，同時(shí)得到了硬度較高的耐磨鋼回火脆性以及焊接冷裂紋出現(xiàn)的原因和解決方案。給武鋼提供了軋制參數(shù)與焊接函數(shù)。

第三，細(xì)邊穿刺碳-碳復(fù)合材質(zhì)高溫力學(xué)行為和性能預(yù)測(cè)。因?yàn)镚leeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)經(jīng)常使用的熱電偶測(cè)溫上限是1500℃，PUL-SARII-1700光電高溫計(jì)最大為1650℃。細(xì)邊穿刺碳-碳復(fù)合材質(zhì)因?yàn)橛兄芎玫母邷匦阅?，在不是氧化的環(huán)境下于2000℃左右的溫度下依舊可以維持室溫力學(xué)性能，而在氧化環(huán)境下，溫度能夠達(dá)到1600℃以上，因而使用Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)自身測(cè)溫系統(tǒng)將無(wú)法完成測(cè)溫流程。所以，黑龍江哈爾濱工業(yè)大學(xué)使用了中國(guó)研制的W-3Re鎢錸熱電偶當(dāng)成測(cè)溫元件，對(duì)引入的Gleeble-1500試驗(yàn)機(jī)熱電偶線性化補(bǔ)償器改善，設(shè)計(jì)出了全新的配置補(bǔ)償電路，讓熱電偶在2000℃左右的線性測(cè)量精度達(dá)到了1%。

3 結(jié)語(yǔ)

作為高中生的我們，需要了解到材料物理的重要性，并且積累相關(guān)知識(shí)，為以后學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。通過(guò)了解，我們可以發(fā)現(xiàn)材料物理模擬技術(shù)在中國(guó)得到了一定的成就，可是依舊有很多問(wèn)題存在著。所以，需要把高校優(yōu)秀人才優(yōu)勢(shì)以及企業(yè)設(shè)備優(yōu)勢(shì)相融，發(fā)揮出設(shè)備潛在能力；強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作技術(shù)人員培訓(xùn)，創(chuàng)造條件增強(qiáng)其材料與機(jī)械等知識(shí)；構(gòu)建國(guó)際物理模擬技術(shù)聯(lián)合會(huì)，實(shí)時(shí)開(kāi)展試驗(yàn)裝置功能研發(fā)和運(yùn)用溝通，提高材料物理模擬技術(shù)應(yīng)用水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 本刊編輯部.第七屆全國(guó)材料物理模擬與數(shù)值模擬學(xué)術(shù)會(huì)議將在福州召開(kāi)[J].中國(guó)表面工程，2018，31（5）：183.

[2] 張梅，張恒華，衛(wèi)品官.強(qiáng)化工科生綜合能力——案例教學(xué)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)的探索[J].教育教學(xué)論壇，2016（16）：25-26.

[3] 檀雯，王永強(qiáng)，李獻(xiàn)民.模擬技術(shù)在鈦合金熱加工中的應(yīng)用與前景[J].中國(guó)鈦業(yè)，2014（2）：29-33.