热处理淬火过程计算机模拟的现状与展望

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1、技术交流《工业加热》第37卷2008年第3期热处理淬火过程计算机模拟的现状与展望刘晓霏（首都航天机械公司，北京100076）摘要：淬火过程是温度场、组织场和应力场相互作用的复杂过程，介绍了淬火过程数值模拟的进展、内容、方法，展望了淬火过程数值模拟的发展趋势。关键词：热处理；淬火；计算机模拟中图分类号：TG156.3；TP273文献标志码：B文章编号：1002-1639(2008)03-0061-02TheStatusandPerspoctiveofComputerSimulationinHeatTreatmentQuenchingProcessLIUXiao-fei热处理可以改变工件内部组织结

2、构，获得预期的性难测量出过程变化。因此，目前的淬火工艺还大多数停能。在热处理过程中，工件内部会发生十分复杂的物理留在定性分析的基础上，这与经济快速发展所要求的高现象，如温度场的变化、组织的转变、力学性能的改变质量、低成本的要求是不相适应。以及残余应力的产生等。这些物理现象也正是材料实现1淬火过程的计算机模拟特点淬火硬化的主要依据。以往，这些物理量的变化都是通过试验研究确定的。近年来，由于计算机技术的迅速发淬火过程计算机模拟具有速度快、效率高、结果形展，热处理过程的数值模拟也随之成为一个关注的研究象逼真、能综合反映热处理过程中各种变化规律的特点。领域1。对于一些与热处理相关的学科，如数值计算方法

3、、与试验研究相结合，可以极大地拓展实测数据提供的信计算传热学、相变动力学、计算流体力学等，在国内外息，完成试验研究很难做到甚至不能做到的工作，其优都开展了较为深入的研究，从而为热处理过程的计算机越性具体表现在如下几个方面：模拟和仿真技术的发展奠定了坚实的基础。（1）高效、逼真、可靠：借助计算机的高速运转能淬火过程的实质就是通过对淬火工件的温度场、组力开展的淬火过程模拟，可以在几秒钟之内完成几小时织场和应力场进行适度调整，使工件获得所需的组织、性甚至几天的试验工作量。并且，随着热处理过程数学模能和较小的残余应力和残余应变。淬火工艺选择不当不型的不断完善和数值计算方法的不断改进，热处理过程仅影响工

4、件的组织性能，而且会影响工件的使用寿命，因计算机模拟能够逼真地反映热处理的实际过程，准确地此，加强对淬火工艺的研究是很重要的。预测最终状态。淬火冷却过程是非常复杂的过程，其影响因素很多。（2）依靠试验，拓展试验：经过验证的模拟技术能图1给出了淬火冷却过程各场量相互影响、相互作用的关系。够模拟试验难以测量的物理量和变化过程，这就极大扩展了实验室的功能，起到了任何传统技术无法取代的作用。（3）人工智能，在线决策：热处理计算机模拟与热处理CAD技术相结合，可以实现热处理过程的在线控制和在线决策，从而使热处理工艺发生质的飞跃，使热处理生产产生更大的经济效益。2淬火过程的计算机模拟技术内容与方法淬火过程

5、的数值模拟受到各国热处理界的高度重视，近图1温度场、显微组织场和应力场之间的相互作用图年来不少学者应用相当复杂的数学模型进行淬火过程中温度场、组织转变、应力应变及其交互作用的数值模拟。我对于上述复杂的过程，要在理论上对温度场、组织国开展这方面的工作虽然起步较晚，但也取得了一定的成绩。场和应力场耦合求解是很困难的。用物理模拟方法进行淬火过程的模拟早期采用有限差分法，近年来则普遍研究也有很多局限性，因为很难找到各种物理量都满足采用有限元法。有限差分法只是孤立地考虑了节点之间的相似原理的物理模型。对于工件在一定条件下测得的温关系，对于模拟复杂形状和复杂边界条件的问题较困难；度场、组织场、应力场很难直

6、接用到真实尺寸的实物上；而有限元法不仅考虑了节点之间的关系，还考虑了单元内由于淬火过程是一个高温作业过程，在当前的技术条件的连续变化以及单元之间的相互作用，能够较精确地模拟下，测量是相当困难的，有的场量只能测得最后结果，很复杂形状和复杂边界条件的问题。因而在淬火过程的模拟61技术交流《工业加热》第37卷2008年第3期中，有限元法比有限差分法具有更好的适用性。为温度，为常数，反映马氏体的转变速率，随成分而异。2.1温度场的模拟2.3应力场的计算淬火过程温度场的模拟是淬火过程数值模拟得以实淬火过程中温度变化剧烈，不仅引起弹性变形，也会现的基础和关键，它对淬火过程中热应力和热应变的分引起塑性变形。

7、材料进入塑性状态后，应力与应变的关系析有较大影响，同时还对淬火后残余应力和组织分布有不再是线性的，而是物理非线性的。淬火过程中，应力应较大影响。因此，淬火过程温度场的模拟就成为淬火过变以及淬火后残余应力和变形的预测的准确程度，与所采程数值模拟的最主要的内容。用的材料力学模型密切相关。目前的淬火过程应力场的模2各向同性三维温度场传热控制偏微分方程为拟已经从原先的弹性模型改进为弹塑性模型，考虑材料的＝