幾乎所有的金屬機(jī)械零部件和一些工程構(gòu)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(huì)產(chǎn)生熱量傳遞、內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變和周邊環(huán)境的作用等一系列復(fù)雜且無法直接觀測(cè)的物理現(xiàn)象(例如淬火冷卻過程的組織轉(zhuǎn)變和應(yīng)力變化等)。因此,熱處理是金屬構(gòu)件制造工藝鏈中關(guān)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(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和殘余應(yīng)力等的調(diào)控被認(rèn)為是熱制造過程中最重要的問題,一旦處理不當(dāng)將造成工件報(bào)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(zhì)量就成為綠色制造的一個(gè)迫切課題。過去四十年的實(shí)踐已經(jīng)證明,熱處理過程的計(jì)算機(jī)模擬是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)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(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以定量地顯示工件在任意時(shí)刻、任意位置的溫度、組織和應(yīng)力分布,以及工件某一位置的溫度等變量隨時(shí)間的變化曲線,這為熱處理技術(shù)人員的設(shè)計(jì)、工藝制訂和實(shí)際過程控制等工作提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。

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

熱處理是一個(gè)多物理過程,涉及溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等不同物理場(chǎng)(如傳熱、相變和應(yīng)力)之間的復(fù)雜耦合。由于問題的復(fù)雜性、耦合性和非線性,如Ziegler熱傳導(dǎo)-彈塑性等,求取其解析解變得非常困難。目前對(duì)于這個(gè)問題已經(jīng)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(yīng)用的適用性和易用性而言,有限元法的應(yīng)用比較廣泛。

熱處理模擬涉及熱物理、熱化學(xué)、熱機(jī)械和相變特性等方面的大量數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)通常可通過試驗(yàn)測(cè)量、文獻(xiàn)查詢或計(jì)算等方法得到。