熱處理過程的模擬(1)

幾乎所有的金屬機械零部件和一些工程構件的制造鏈中都包含加熱和冷卻工藝流程,以滿足其服役所需的不同性能要求。這些零部件的熱處理過程中會產生熱量傳遞、內部組織轉變和周邊環(huán)境的作用等一系列復雜且無法直接觀測的物理現(xiàn)象(例如淬火冷卻過程的組織轉變和應力變化等)。因此,熱處理是金屬構件制造工藝鏈中關鍵且難以控制的工序之一。熱處理過程中的畸變、開裂、微觀組織結構、力學性能和殘余應力等的調控被認為是熱制造過程中最重要的問題,一旦處理不當將造成工件報廢。另外,與其他加工過程相比,熱處理工序的能耗大,如何有效地提高加熱效率和加熱質量就成為綠色制造的一個迫切課題。過去四十年的實踐已經證明,熱處理過程的計算機模擬是實現(xiàn)上述目標的有力工具。

因熱處理過程受到諸多因素的影響,其精確控制難度大。采用計算機模擬技術可以定量地顯示工件在任意時刻、任意位置的溫度、組織和應力分布,以及工件某一位置的溫度等變量隨時間的變化曲線,這為熱處理技術人員的設計、工藝制訂和實際過程控制等工作提供了理論依據(jù)和指導。

有限元法在淬火、回火、正火、退火等經典熱處理工藝模擬方面有較好的應用前景,將在工藝設計、新工藝的開發(fā)等方面發(fā)揮重要作用。

熱處理是一個多物理過程,涉及溫度場、組織場和應力場等不同物理場(如傳熱、相變和應力)之間的復雜耦合。由于問題的復雜性、耦合性和非線性,如Ziegler熱傳導-彈塑性等,求取其解析解變得非常困難。目前對于這個問題已經發(fā)展了不少數(shù)值算法,如有限差分法、有限體積法和有限元法等,從應用的適用性和易用性而言,有限元法的應用比較廣泛。

熱處理模擬涉及熱物理、熱化學、熱機械和相變特性等方面的大量數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)通?？赏ㄟ^試驗測量、文獻查詢或計算等方法得到。