材料物理模擬技術的發展及其在中國的應用

高 增，牛濟泰，2，3

（1.河南理工大學材料科學與工程學院，焦作454003；2.哈爾濱工業大學材料科學與工程學院，哈爾濱150001；3.河南晶泰航空航天高新材料科技有限公司，焦作454003）

0 引 言

物理模擬（Physical Simulation）是一個內涵十分豐富的廣義概念，也是一種重要的科學方法和工程手段。通常，物理模擬是指縮小或放大比例，或簡化條件，或代用材料，用試驗模型來代替原型的研究。例如，新型飛機設計的風洞試驗、塑性成形過程中的密柵云紋法技術、電路設計中的拓撲結構與試驗電路以及宇航員的太空環境模擬試驗艙等，均屬于物理模擬的范疇。對材料和熱加工工藝來說，物理模擬通常是指利用小試樣，借助某種試驗裝置再現材料在制備或熱加工過程中的受熱或同時受熱、受力的物理過程，充分而精確地揭示材料在制備與熱加工過程中組織與性能的變化規律，評定或預測材料在制備或熱加工過程中可能會出現的問題，為制定合理的加工工藝以及研制新材料提供理論指導和技術依據。物理模擬試驗一般分為兩種，一種是在模擬過程中進行試驗，另一種是模擬完成后進行試驗［1］。

以往，在材料科學研究或工程結構及其零部件的生產中，為了評價工藝方案對材料性能或產品質量的影響，多采用試驗或試錯的方法，這種單憑重復試驗的“經驗”性方法不僅消耗大量時間與財力，而且得到的結果往往只是某一具體產品在特定情況下的工藝與性能的關系，不可能獲得產品在工藝過程中變化的全面規律，更不可能探索更深層次的科學問題，從而延滯新材料、新技術與新產品的開發和應用。材料現代物理模擬技術是一種高新技術，它融材料科學、傳熱學、力學、機械學、工程檢測技術、電子模擬技術以及計算機等多學科知識和技能為一體，構成了一個獨特的、跨學科的專業領域。采用現代物理模擬技術，可以用少量的試驗完成過去需要通過大量重復性試驗才能得到的結果，不但可節省大量人力、物力，還可研究目前尚無法采用直接試驗進行研究的復雜問題。因此，現代物理模擬作為一門新興技術，已引起世界各國科學界和工程界的廣泛關注，其應用范圍正迅速擴大，并已成為21世紀材料研究的主要方法和手段［2-4］。為了給相關研究人員提供參考，作者對材料物理模擬技術的發展及其在中國的應用情況進行了綜述。

1 材料物理模擬試驗裝置

1.1 裝置的基本要求

材料與熱加工領域的物理模擬實際上是材料經受熱/力物理過程的模擬。為了確保模擬結果的可信性以及模擬試驗的高效率，除科學的試驗方法外，最重要的是熱/力模擬試驗裝置應具備優良的性能。對熱/力模擬試驗裝置的基本要求包括：較全面的模擬功能，能進行溫度、應力及應變的模擬；模擬試樣應具有較寬的均溫區，包括沿試樣軸向和徑向的均溫區；具備對試樣施加較大的加熱及冷卻速率的能力；較大的加載能力，包括拉伸、壓縮和扭轉以及疲勞載荷；較大與較小的加載速率；良好的計算機控制系統、物理參數測量系統及數據采集與顯示系統。

歸根結底，熱/力模擬試驗裝置應具備較高的模擬能力及模擬精度，以保證試驗結果具有良好的再現性及重復性。所謂再現性，即模擬試驗的結果能夠如實地模擬或反映實際構件或材料的受熱與受力情況，從而精確再現出被模擬對象的微觀結構和宏觀性能的變化。所謂重復性，即采用同樣的熱/力循環試驗裝置進行多次試驗，各試驗結果（或曲線）能夠互相吻合，即實現良好的重復［5-8］。

1.2 裝置的分類

迄今為止，各種型號的熱模擬試驗裝置按加熱方式可分為在試樣上直接通電（電阻）加熱及高頻感應加熱兩大類型。按模擬功能又可分為單一的熱模擬及兼有力學模擬功能的全模擬裝置。其力學試驗又分拉、壓及熱扭轉等類型。世界上第一臺熱模擬試驗機于1946年在美國誕生，并命名為Gleeble［9］。20世紀50年代，前蘇聯和日本相繼研制了ИMET及Thermecmastor熱模擬試驗機。從20世紀60年代開始，中國、英國和法國等也相繼開展了物理模擬試驗裝置的研制。

目前世界上最先進的、應用較廣泛的是美國、日本制造的物理模擬試驗裝置，具有代表性的有美國Gleeble-3800型和日本Thermecmastor-Z型熱模擬試驗機，其中美國的Gleeble系列試驗機采用電阻加熱，日本的Thermecmastor系列試驗機采用感應加熱［10-12］。

1.3 裝置的用途

物理模擬技術在材料領域的用途主要是進行熱加工工藝優化與新產品的開發，從而改進工藝，提高產品性能，保證其安全服役。具體來說，材料物理模擬主要應用于以下幾個領域。

1.3.1 焊接領域

眾所周知，焊接接頭中最脆弱的部位位于熱影響區，而熱影響區范圍相對較小，難以直接對其進行相關性能的研究。而采用物理模擬技術可以重現接頭熱影響區經歷的熱物理過程，并建立焊接熱影響區連續冷卻轉變圖，簡稱SH-CCT圖（Simulated HAZ Continuous Cooling Transformation），從而獲得焊接參數對接頭性能的影響規律并提出改進方案。建立SH-CCT圖是物理模擬技術在焊接領域應用最多的技術之一。除此之外，物理模擬技術在評定和預測金屬材料或熱加工工藝對焊接裂紋（包括熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂和應力腐蝕開裂五大類型）的敏感性，以及在裂紋防治措施研究中也有著重要的應用。

1.3.2 壓力加工領域

壓力加工是物理模擬技術應用最活躍的領域之一。壓力加工模擬不但需要熱模擬，還需要大量地應用力學系統的模擬，與其它領域的模擬相比，壓力加工模擬技術比較復雜，難度也較大，應用范圍也更加廣泛。在進行材料的壓力加工物理模擬試驗時，變形溫度、變形速度、變形量以及變形抗力是必須考慮的熱力學基本條件，是物理模擬的基本參數。變形抗力是表征金屬與合金塑性加工性能的一個最基本的量，目前主要應用拉伸法、圓柱體單向壓縮法、平面應變壓縮法、扭轉法、軋制法等試驗方法測金屬的變形抗力，其中前三種方法比較常用。在物理模擬試驗機上進行軋制變形抗力的測定時主要是采用流變應力壓縮法（圓柱體單向壓縮法）和平面應變壓縮法。另外，物理模擬技術在形變奧氏體再結晶規律的研究中也起到了重要作用，通常采用再結晶軟化曲線來顯示奧氏體再結晶規律，也可建立奧氏體的再結晶圖來描述再結晶程度與變形溫度、變形量的關系。此外，物理模擬技術還可用于壓力加工過程中的超塑性研究以及動態CCT（Continuous Cooling Transformation）曲線的測定。動態CCT曲線可以系統地顯示出熱變形參數及在線冷速對相變開始溫度、相變速度和相變組織的影響，是優化鋼種成分以及選擇合適的熱變形工藝的重要依據。目前多采用圓柱體單向壓縮試驗測材料的CCT曲線。

1.3.3 鑄造領域

澆注是最常見的鑄造方式，也是物理模擬的主要研究對象。鑄造物理模擬的主要任務是盡可能妥善地控制熔化與結晶，再現凝固結晶條件，研究金屬的鑄造特性和高溫性能，優化合金成分，確定合理的鑄造工藝。鑄造模擬的主要參數是冷卻速率、溫度梯度以及冷卻時的應力與應變。與焊接和壓力加工相比，鑄造物理模擬控制參數的變換并不復雜，但是參數控制精度的保證卻有一定難度，主要是高溫液態金屬的保持、溫度的精確測量與控制以及在小載荷下加載精度的實現。在Gleeble試驗機上進行模擬試驗時，試樣多為圓棒狀或矩形截面，圓棒狀試樣多用于研究金屬的高溫性能，矩形截面試樣主要用于連鑄的模擬。為防止高溫時金屬的氧化，鑄造物理模擬必須在真空或惰性氣氛中進行。

1.3.4 新材料研制及熱處理領域

新材料的研制與材料成分設計、制備工藝密切相關，提高材料性能的根本出路一是優化成分，二是采用先進的制造技術，包括合理的熱處理工藝。而先進工藝的基礎則是優化材料在制備時所經受的熱/力過程，因此物理模擬技術在新材料研制領域的主要任務就是研究新材料組元的合理配比、雜質與夾雜物的控制與利用、組織結構與材料性能的關系以及熱/力處理工藝對材料組織的影響，為獲得優良的微觀組織和使用性能提供基礎理論和技術依據，并實現材料性能的定量分析和預報。例如，采用Gleeble-3800型熱/力模擬試驗機的多軸大變形系統，可使試樣在沒有被破壞的前提下經受無限制的變形，并能保持應變、應變速率和變形溫度的精確控制，從而研發出超細晶材料和納米材料。

2 材料物理模擬裝置與技術在中國的發展與應用

2.1 物理模擬試驗裝置方面

我國從20世紀60年代初就開始應用物理模擬技術并開始研制熱模擬試驗裝置，最早開始研究的是哈爾濱工業大學、天津大學、鋼鐵研究總院及沈陽金屬材料研究所等單位。1981年，哈爾濱焊接研究所開發了由電子程序控制、功率為200kW的HRM-1型熱模擬試驗機；1985-1987年，洛陽船舶研究所先后研制出了CKR-2型和DM-100型焊接熱模擬機，1996年，又開發出了DM-100A型焊接熱模擬機；21世紀初，東北大學研制出了MMS-100型及MMS-200型多功能材料試驗機，并在濟南鋼廠得到應用［13-14］。

總的來說，我國早期的熱模擬裝置基本上是模仿或借鑒前蘇聯的ИMET試驗機以及美國的Gleeble系列試驗機，由于科研經費不充足，我國熱模擬試驗機的自主研發水平始終與國外存在較大差距。近些年來，國內一些單位都是立足于引進美國Gleeble系列和日本Thermecmastor系列試驗機，其中Gleeble系列試驗機在我國占有壟斷地位。自1981年以來，我國（含臺灣）引進的Gleeble系列試驗機超過110多臺/套，單個國家擁有量位居世界第一，占世界Gleeble系列試驗機總量的三分之一。在國內，日本富士電波Thermecmastor系列產品的占有量較少，自武鋼1987年首次引進該公司的10t熱模擬裝置Thermecmastor-W以來，寶鋼也于1991年首次引進了該公司的10t熱模擬裝置Thermecmastor-Z，其他一些單位也先后引進了該公司的設備。在21世紀初，該公司借鑒電阻加熱方式，研制出了最新型的30t雙電源單體化Thermecmastor-Z型熱/力模擬試驗機。

2.2 物理模擬技術交流方面

雖然我國物理模擬試驗裝置的自主研發水平落后于美國和日本，但在物理模擬技術研究與交流方面的活動卻開展得很活躍。1990-2013年，以中國機械工程學會、哈爾濱工業大學等主要單位發起的“材料與熱加工物理模擬及數值模擬國際學術會議”已在我國成功舉辦了6次，參加會議的國別和人數由第一次的4個國家80多名代表發展到第六次的38個國家和地區的550名代表。“第七屆材料與熱加工物理模擬及數值模擬國際學術會議”也已于2013年6月16-19日首次在國外（芬蘭奧盧市）成功舉辦。在上述系列會議中，約60%的論文均涉及材料物理模擬方面的技術內容，這為促進物理模擬技術在我國的推廣應用，以及與世界先進物理模擬技術的接軌和交流起到了重要的推動作用。

物理模擬的精度是物理模擬技術得以應用、推廣和發展的先決條件。幾十年來，伴隨著模擬試驗設備功能的開發，模擬精度的提高一直是材料與熱加工界十分關注的話題。提高物理模擬精度的途徑有三條：研制先進的試驗設備及附件；實施合理的試驗方法與技術；對試驗數據進行科學的處理或修正。在試驗裝備方面，對于生產廠家來說，主要是進一步提高設備的模擬能力和附件的測量精度；對于廣大材料工作者來說，主要是根據試驗目的選擇合適的試驗設備與檢測手段。如在進行物理模擬試驗時，對于帶缺口或變截面的試樣來說，為了獲得較寬的均溫區，或者為了模擬某些非導電材料的熱加工工藝，應以使用感應加熱的設備為宜；但感應加熱由于受表面集膚效應的制約，加熱與冷卻速率受到限制。電阻式加熱可以獲得比感應加熱大得多的加熱與冷卻速率，但試樣沿軸線方向的溫度梯度應予以密切關注，因為溫度梯度將影響軸向變形時應力和應變的精確測量。因此，控制好電阻加熱試樣均溫區寬度和溫度梯度是提高模擬精度的重要環節。筆者曾對電阻加熱試樣的軸向溫度梯度進行過較深入的研究。對于φ10mm×12mm的碳鋼圓柱體壓縮試樣，在采用碳化鎢壓頭和石墨潤滑的情況下，當工作溫度為900℃時，試樣中部與端部的溫差為15℃；當工作溫度為1 200℃時，溫差為43℃。增大試樣直徑可使軸向溫差降低。另外，為了實現穩定的溫度控制，需要一定的保溫時間，如在加熱時當溫度升至試驗溫度后，應至少保溫3min，這樣才能使整個工作區達到均勻的試驗溫度；而冷卻時，在降到預定溫度后需保持幾秒即可使工作區溫度均勻。在測溫過程中，對于截面尺寸為20～200mm2的試樣，熱電偶絲的直徑選用0.25mm較適宜。此外，熱電偶的焊接方式對測溫精度也有影響。一般情況下，熱電偶有三種焊接方式，第一種是將兩根熱電偶絲端部擰到一起，然后焊接到試樣上；第二種是先將兩根熱電偶絲端部焊在一起，然后再焊接到試樣上；第三種是將兩根熱電偶絲分別焊接在試樣上。當被測溫度為1 400℃時，上述三種焊接方式的測量誤差分別為5%，2.5%，0.8%，因此應采用第三種熱電偶焊接方式，但應注意將兩根熱電偶絲焊在與試樣軸線垂直的同一等溫截面上。

從某種意義上說，物理模擬精度的提高是一個系統工程，物理模擬工作者及應用模擬技術的研究人員，應針對所模擬的具體對象，設計合理的試驗方案，確定有效的控制模式，精心編制計算機程序，特別是要靈活設計試樣的形狀和尺寸，以及相應的自由跨度與卡具系統，以便最大限度地模擬材料或構件的實際受熱與受力過程。同時，還要特別注意溫度與形變信號的精確測量與提取，以及信號數據點的采樣速率和采集時間，把試驗結果完整準確地顯示出來。

為了進一步推動物理模擬及數值模擬技術的發展，使交流上升到一個更高的層面，在2013年6月16-19日于芬蘭舉行的“第七屆材料與熱加工物理模擬及數值模擬國際學術會議”期間，共計來自23個國家的數百名代表經過充分協商，一致同意成立一個國際性的學術組織——“材料物理模擬及數值模擬聯合會”，基于我國在材料物理模擬及數值模擬國際學術交流方面的突出貢獻，此聯合會總部設在中國上海，掛靠于中國機械工程學會材料分會，并選舉牛濟泰教授任聯合會主席，美國Ferguson David博士、俄羅斯Chumachenko E.N.教授、日本Lino Hitoshi博士擔任副主席，并決定建立一個國際性的電子學術刊物。

2.3 物理模擬技術應用方面

在中國幾百臺物理模擬試驗裝備中，大約有一半分布于各大鋼鐵公司，四分之一分布于高等院校，另四分之一分布于研究院所。物理模擬技術在中國鋼鐵企業發揮了極其重要的作用，不但使中國鋼鐵的產量、品種和質量得到了迅速提高，而且促進了中國機械工業、建筑行業、汽車制造業的發展。在高等院校和研究院所，物理模擬技術主要用于新型結構材料和功能材料的研發以及熱加工工藝的優化，為新材料開發提供了理論和技術支持。

哈爾濱工業大學自從1987年引進Gleeble-1500型熱/力模擬試驗機以來進行了很多研究工作，主要研究成果如下。

（1）“細編穿刺碳-碳復合材料的高溫力學行為與性能預報”。由于Gleeble-1500型熱/力模擬試驗機常用的熱電偶的測溫上限為1 500℃，而PUL-SARII-1700型光電高溫計最高也只能達到1 650℃。而細編穿刺碳-碳復合材料由于具有優良的高溫性能，在非氧化環境中于2 500℃的高溫下仍能保持室溫時的力學性能，在氧化環境中，其使用溫度也可高達1 650℃，故采用Gleeble-1500型熱/力模擬試驗機本身的測溫系統將不能完成它的測溫過程。因此，哈爾濱工業大學采用國產 W-3Re/W-25Re鎢錸熱電偶作為測溫元件，對引進的Gleeble-1500型熱/力模擬試驗機的熱電偶線性化補償器進行改進，設計了新的匹配補償電路，使熱電偶在0～2 300℃范圍內的線性測量精度達±1%；此外，還對Gleeble-1500型熱/力模擬試驗機的配套構件光電高溫計進行了改進，設計與匹配了孔徑光欄系統，從而在熱模擬機上完成了2 800～3 200℃下碳基復合材料的高溫性能模擬試驗［15-18］。

（2）“空間環境下鋁合金焊接接頭安全可靠性評定和壽命預測”［19-20］。在該項目中，通過在熱/力模擬試驗機上對鋁合金焊接接頭進行空間環境的熱/力模擬試驗，對特定空間環境下承載焊接接頭的損傷失效行為進行了研究，并將物理模擬與數值模擬相結合，對焊接接頭各區域力學性能以及細觀損傷參數分別進行了測定和計算，建立了空間熱循環下承載鋁合金焊接接頭的損傷模型。該研究發現了有關空間熱循環條件下承載鋁合金焊接接頭新的細觀損傷與失效機制，建立了熱循環輔助孔洞形核機制，對熱循環條件下材料的宏觀性能演化及尺寸不穩定效應進行了理論解析與定量計算［21-23］，研究成果有助于豐富和發展孔洞型細觀損傷理論，亦對航天器設計有所幫助。

（3）“耐磨鋼（NM-360）耐磨性及焊接性預測模型與工藝優化”。該項目為哈爾濱工業大學與武鋼合作的新產品開發項目。通過在Gleeble-1500D型熱/力模擬試驗機上進行焊接熱模擬試驗，得到模擬焊接熱循環數據，繪制了NM-360鋼的SH-CCT曲線，并測定了奧氏體轉變的開始溫度Ac1和終了溫度Ac3，該曲線不但展現了該鋼種的焊接性，而且可參考其制訂避免焊接裂紋產生的合理的熱輸入、焊接參數與應采取的措施。此外，還建立了工藝參數與耐磨鋼硬度的動力學關系，并獲得了硬度不低于320HB鋼級耐磨鋼回火脆性和焊接冷裂紋的產生原因及消除措施；向武鋼提供了最優軋制參數、最佳焊接參數以及控制過程軟件包［24］。

此外，許多研究者們也對材料加工過程進行了物理模擬并對使用物理模擬設備過程中存在的問題進行了探討。如，李紅斌等［25］對熱模擬試驗機壓縮試驗中的溫度彈跳進行了分析，認為在Gleeble-3500型熱/力模擬試驗機上進行圓柱體單向壓縮試驗時，由于熱電偶間距的增大會導致溫度降低，試驗溫度為1 150℃時的溫度彈跳較大，最大可達6℃；隨著保溫時間的延長，彈跳值迅速減小，在隨后的冷卻過程中，在-0.5～4℃的范圍內波動，故而壓縮后的熱電偶距離變大并不會對試驗結果造成太大的影響。此外，由于試樣壓縮后電阻的變化，可導致溫度升高約3.59℃。在沒有電流加熱的情況下，導致試樣在壓縮過程中溫度升高的主要原因是由于壓縮過程對試樣做功而導致了溫度升高［26］。部分研究者［27］對熱/力模擬試樣的溫度場進行了分析，并認為，采用銅夾具夾持試樣時，試樣的溫度梯度很大。對于尺寸為φ6mm×70mm的試樣來說，在自由跨度為20mm時，均溫區長度只有4～5mm。影響均溫區長度的主要因素為自由跨度的大小，自由跨度越大均溫區長度越大，試樣與夾具的導熱系數對其影響較小，而加熱速率對其則沒有影響［28-29］。因此在進行試樣組織分析時，應嚴格控制觀測界面的位置。還有一些研究者［30-32］也將物理模擬技術應用到了連鑄工藝模擬試驗中。在連鑄過程中，帶液芯的坯殼承受來自鋼液的靜壓力以及熱應力、彎曲-矯直力、摩擦力、機械力等外力作用，如果這些外力的綜合作用超過了鋼的高溫臨界強度和臨界應變，鑄坯就會產生裂紋，并且裂紋在冷凝時還會繼續擴展。為避免微裂紋的萌生與擴展，一般采用熱拉伸法。對熱拉伸試驗數據進行處理即可得到熱塑性及熱強性曲線，從中可以找出鑄坯在凝固過程中塑性和強度經歷的3個溫度區（熔點脆化區、延性區、脆化區），這3個溫度區可為連鑄二冷動態配水模型的制定提供指導。

3 存在問題與建議

盡管我國在物理模擬技術領域取得了令人矚目的成就，但仍然存在許多問題，如：物理模擬設備的使用效率差別較大；物理模擬設備的功能開發良莠不齊；物理模擬試驗數據的深入分析、歸納和科學表征等后續銜接工作不夠完善，造成試驗數據浪費；對物理模擬設備故障的維修和排除能力相對較弱。

因此，筆者建議從如下三個方面予以改善：首先應當將高校的人才優勢和企業的設備優勢進行有效整合，充分發揮設備的潛力；其次是加強試驗設備操作人員的技術培訓，創造各種條件加強他們在材料、機械和自動控制等方面的知識；再次是成立國際物理模擬技術聯合會和技術交流信息網絡，及時進行試驗裝置功能開發與應用方面的經驗交流，提升物理模擬技術的應用水平并擴大物理模擬技術的應用范圍。

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