材料物理模擬技術在中國的發展及其應用

梁灝

摘 要：在制作材料與熱加工時會出現多種物理與力學行為，這部分行為很難定量預估，使用物理模擬技術能夠準確再現物理力學行為。因此，本文對材料物理概念進行了簡要的分析，然后探討了材料物理模擬技術在國內的發展與應用，以供參考。作為高中生，除去需要學習課本知識以外，還需要了解其他領域的知識。就材料物理模擬而言，我們知道，在過去材料研究過程中，為評估工藝方案對材料性能的影響，使用了試驗的方式，這種憑借反復試驗的方式花費時間較多，同時得到的結果僅僅是某一個產品在特殊條件下的工藝和性能關系，無法探究高層次的科學問題。

關鍵詞：材料 物理模擬技術 發展 應用

中圖分類號：TB302.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（c）-0097-02

1 材料物理概念

材料物理就是概述固體材料的電磁、光熱、彈性等性能的物理模型、變化的基本規律與影響因素、基礎性能測試方式。作為高中生，為了可以給將來進入大學打下扎實的知識基礎，需要了解到其是大學本科材料類型專業必修課程。一些從事了材料物理性能教學和探究工作多年的人感覺到了為了全面適應材料科學發展與應用領域需求，原工料物理性能課程內容必須要拓展開來，需要在相同學科基礎之上把半導體、電介質與聚合物等工程下料均當作材料物理考察對象。思考到攻克學生比較關注物理概念與潛在工程運用特征，在實際開展教學的過程中需要關注到知識銜接情況下防止復雜的數據推導而突出關系式物理意義，盡可能使用形象直觀的曲線圖且提供必要數據信息。

2 材料物理模擬技術在國內的發展和運用

2.1 物理模擬試驗裝置

整體而言，中國最早的熱模擬裝置是模仿前蘇聯HMET試驗機與美國Gleeble試驗機，因為科學研究費用不夠，中國熱模擬試驗機研制水平和西方國家有著一定的差距。近期，中國一部分單位立足于引入美國Gleeble與日本國家的Thermecmastor試驗機，在這之中，Gleeble試驗機在中國獨占鰲頭。到了20世紀80年代，中國引入的Gleeble試驗機超出100多臺，單個國家具備量排在全球首位，占據全球Gleeble試驗機總數的1/3。在中國，日本國家Thermecmastor產品數目不多，此后武鋼第一次引入了該單位的10t熱模擬裝置Thermecmastor-W以來，寶鋼在21世紀初引入了Thermecmastor-Z，別的公司引入了該單位設備。

2.2 物理模擬技術交流

雖中國物理模擬試驗裝置自行研制的水平比不上發達國家，可是在物理模擬技術探索和溝通方面的活動進行得很順暢。在20世紀末到21世紀初，中國機械工程學會等單位發起了材料和熱加工物理模擬與數值模擬會議，在中國舉行了幾次，參與會議的國家與人數從首次的4個國家80個代表，變成了6次38個國家與地區500多名代表。材料和熱加工物理模擬與數值模擬國際會議在2013年第一次在芬蘭舉行。

物理模擬精度是物理模擬技術得到廣泛運用與發展的前提條件和基礎。這些年來，隨著模擬試驗設備功能的不斷研發，模擬精度提升始終是材料和熱加工界探討的一大話題。提升物理模擬精度的方式就是：（1）研發出新的試驗設備；（2）采用科學的試驗方式和技術；（3）有效處理與修正試驗數據。在試驗裝備層面，對生產商而言，就是提升設備模擬能力與附件測量精度，對很多材料工作人員而言，是按照試驗目的挑選試驗設備和檢測方法。比如，在開展物理模擬試驗的過程中，對帶缺口的試樣而言，要想得到很寬的均溫區，需要采用感應加熱設備。可是感應加熱因為遭到表面集膚效應所影響，加熱和冷卻速率有一定的局限性。電阻加熱能夠得到比感應加熱大的加熱和冷卻速率，可是試樣圍繞軸向方向的溫度需要給予一定的關注力度，原因在于溫度會對軸向變形應力以及應變測量帶來非常大的影響。所以，把控電阻加熱試樣均溫區寬度與溫度可以有效提升模擬精度。如對10mm×12mm的碳鋼圓柱體壓縮試樣，使用碳化鎢壓頭與石墨潤滑時，工作溫度是900℃，試樣中部及端部溫度相差15℃。而溫度是1200℃時，溫度相差42℃。將試樣直徑變大能夠減小軸向溫差。除此以外，為穩定溫度，必須要具備保溫時間。

2.3 物理模擬技術應用

在國內很多臺物理模擬試驗設備中，大概有1/2分布在各個鋼鐵單位，而還有一小部分分布在高校中，剩下的就分布在研究所。物理模擬技術在國內鋼鐵公司中起著重要作用，不僅提升了鋼鐵品質，還推動了機械工業與建筑產業發展。在高校與研究所，物理模擬技術通常使用在新的結構材料與功能材料研制和熱加工優化上，給新材料研制提供了技術支持。

第一，空間環境中鋁合金焊接接頭安全評價與使用時間預測。在這一項目里面，經過在熱模擬試驗機中對鋁合金焊接接頭開展空間環境熱模擬試驗，對指定空間下承載焊接接頭的損失失效行為展開了探索與分析，同時把物理模擬和數值模擬相融，對焊接接頭區域力學性能展開了計算，構建了空間熱循環下承載鋁合金焊接接頭損傷模型。經過這一探索可以了解到，相關空間熱循環情況下承載鋁合金焊接接頭新損傷和失效制度，構建了熱循環輔助性孔洞形核制度，對熱循環下材料性能演變與大小不穩定效應展開了理論分析。探究成果益于豐富孔洞細觀損傷理論。

第二，耐磨鋼耐磨性和焊接性預估模型及工藝優化。這一項目是黑龍江哈爾濱工業大學和武鋼協作研制的新產品項目。經過在Gleeble-1500熱模擬試驗機開展焊接熱模擬試驗，獲得模擬焊接熱循環數據新型，制作了NM-360鋼SH-CCT曲線，與此同時測定了奧氏體改變的溫度，這一曲線不僅充分體現了這種鋼的焊接性，并且還可以借鑒別的制定防止焊接縫隙出現的合理熱輸入與焊接參數。除此以外，構建了工藝參數和耐磨鋼硬度動力學關系，同時得到了硬度較高的耐磨鋼回火脆性以及焊接冷裂紋出現的原因和解決方案。給武鋼提供了軋制參數與焊接函數。

第三，細邊穿刺碳-碳復合材質高溫力學行為和性能預測。因為Gleeble-1500熱模擬試驗機經常使用的熱電偶測溫上限是1500℃，PUL-SARII-1700光電高溫計最大為1650℃。細邊穿刺碳-碳復合材質因為有著很好的高溫性能，在不是氧化的環境下于2000℃左右的溫度下依舊可以維持室溫力學性能，而在氧化環境下，溫度能夠達到1600℃以上，因而使用Gleeble-1500熱模擬試驗機自身測溫系統將無法完成測溫流程。所以，黑龍江哈爾濱工業大學使用了中國研制的W-3Re鎢錸熱電偶當成測溫元件，對引入的Gleeble-1500試驗機熱電偶線性化補償器改善，設計出了全新的配置補償電路，讓熱電偶在2000℃左右的線性測量精度達到了1%。

3 結語

作為高中生的我們，需要了解到材料物理的重要性，并且積累相關知識，為以后學習奠定基礎。通過了解，我們可以發現材料物理模擬技術在中國得到了一定的成就，可是依舊有很多問題存在著。所以，需要把高校優秀人才優勢以及企業設備優勢相融，發揮出設備潛在能力；強化實驗設備操作技術人員培訓，創造條件增強其材料與機械等知識；構建國際物理模擬技術聯合會，實時開展試驗裝置功能研發和運用溝通，提高材料物理模擬技術應用水平。

參考文獻

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