热处理数值模拟技术的研究进展

制造业的发展可提升一个国家的综合竞争力,其中金属材料发挥了重要作用.而热处理作为改善金属材料使用性能的重要基础工序,存在影响因素多、研发周期长的问题.因此,优化工艺,缩短周期,提高效率和质量是十分必要的.传统的热处理工艺,多凭经验而定,具有一定的盲目性、成本高和效率低等缺点.计算机与热处理技术的结合打破了这一瓶颈,使热处理过程"可视化"—可以观测到工艺参数对组织、性能的影响,使工艺优化有据可依,节省了大量能源及时间,缩短了研发周期,提升了生产效率.此外,还可实现对热处理相变机理的研究,深入分析相变对使用性能的影响.目前,在热处理模拟方面,应用较多的模拟方法主要有有限元法、蒙特卡罗法、元胞自动机法和相场法,它们在模拟中各有千秋.有限元法以耦合多场的优势侧重于探索热处理工艺参数的影响,目的是优化热处理工艺,解决工程实际应用问题.后面三种方法主要是针对相变机理的研究,其中蒙特卡罗法和元胞自动机法更多用来模拟相变过程中的形核位置及晶粒长大现象;相场法多模拟相变的介观形貌,探究相变的演变过程机理.本文对这几种模拟方法在热处理方面的应用现状进行了总结介绍,并对比了这几种方法的优缺点,为研究人员选用模拟方法提供参考依据.重点分析了有限元法在热处理数值模拟中的应用,在此基础上对热处理数值模拟的未来发展进行了展望,指出基于有限元算法的跨尺度多场耦合集成计算将是未来发展方向之一.

Research Progress of Numerical Simulation in Heat Treatment