內容提要：本文首先論述了材料熱加工工藝模擬研究的重大意義；回顧、分析了國內外熱加工工藝模擬的研究歷程和技術發展趨勢和方向；提出了我國在該領域開展研究與應用工作的建議。

 

當前，金屬材料仍是應用范圍最為廣泛的機械工程材料，材料熱加工(包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等)是機械制造業重要的加工工序，也是材料與制造兩大行業的交叉和接口技術。材料經熱加工才能成為零件或毛坯，它不僅使材料獲得一定的形狀、尺寸，更重要的是賦予材料最終的成份、組織與性能。由于熱加工兼有成形和改性兩個功能，因而與冷加工及系統的材料制備相比，其過程質量控制具有更大的難度。因此，對材料熱加工過程進行工藝模擬進而優化工藝設計，具有更為迫切的需求。近二十多年來，材料熱加工工藝模擬技術得到迅猛發展，成為該領域最為活躍的研究熱點及技術前沿。

 

金屬材料熱加工過程是極其復雜的高溫、動態、瞬時過程，難以直接觀察。在這個過程中，材料經液態流動充型、凝固結晶、固態流動變形、相變、再結晶和重結晶等多種微觀組織變化及缺陷的產生與消失等一系列復雜的物理、化學、冶金變化而最后成為毛坯或構件。我們必須控制這個過程使材料的成分、組織、性能最后處于最佳狀態，必須使缺陷減到最小或將它驅趕到危害最小的地方去。但這一切都不能直接觀察到，間接測試也十分困難。

長期以來，基礎學科的理論知識難以定量指導材料加工過程，材料熱加工工藝設計只能建立在“經驗”基礎上。近年來，隨著試驗技術及計算機技術的發展和材料成形理論的深化，材料成形過程工藝設計方法正在發生著質的改變。材料熱加工工藝模擬技術就是在材料熱加工理論指導下，通過數值模擬和物理模擬，在試驗室動態仿真材料的熱加工過程，預測實際工藝條件下材料的最后組織、性能和質量，進而實現熱加工工藝的優化設計。它將使材料熱加工沿此方向由“技藝”走向“科學”，并為實現虛擬制造邁出第一步，使機械制造業的技術水平產生質的飛躍。

 

我國重大機電設備研制、生產的一個難點是大件制造；大件制造的關鍵又是熱加工。我國在2015年以前，水電、火電、核電、冶金、礦山、石化等重大機電設備對關鍵大件制造均有迫切的需求。以三峽水電機組為例，單機容量達70萬千瓦，五大部件(轉輪、蝸殼、主軸、座環、頂蓋)的重量和尺寸均居世界第一。其轉輪直徑達9.8米，重量達500噸，采用鑄焊結構，制造難度很大。

由于大件形大體重，品種多，批量小，生產周期長，造價高，迫切要求“一次制造成功”，一旦報廢，在經濟和時間上都損失慘重，無法挽回。由于傳統的熱加工工藝設計只能憑經驗，采用試錯法(Test and Error Method)，無法對材料內部宏觀、微觀結構的演化進行理想控制，因而發生多次大件報廢的慘痛事故，投入使用的大件，也難以消除縮孔、縮松、夾雜、偏析、熱裂、冷裂、混晶等缺陷，很多大件帶傷運行。建立在工藝模擬、優化基礎上的熱加工工藝設計技術，可以將“隱患”消滅在計算機擬實加工的反復比較中，從而確保關鍵大件一次制造成功。這已為國內外不少應用實例所證實。

 

熱加工是制造業的重要工序，制造業的發展及制造模式的變革離不開熱加工的技術進步。美國國家科學基金會(NSF)用“知識/自動化的不同發展階段對制造業的影響”的圖表(見圖1)形象地說明設計制造技術水平對知識及自動化的依賴關系[1]。從知識這一坐標看，人類經歷了從技藝→手冊指導→專家系統的過程，要達到更為完善的水平，必須進行過程/工藝模擬。因為只有通過模擬仿真，人們才能認識過程的本質，預測并優化過程的結果，并快速對瞬息萬變的市場變化作出設計及工藝的改變；另外，只有通過過程模擬，才能使設計與制造聯成一體。它是實現快速設計、制造，擬實設計、制造以及分布式設計、制造的知識(技術)基礎。

 

本研究領域涉及金屬材料的鑄造、鍛壓、焊接、 熱處理等熱加工學科；物理化學、計算數學、圖形學、材料成形理論、傳熱學、傳質學、流體力學、固體力學、金屬學、金屬物理學等技術基礎學科；計算機應用、測試技術、網絡技術、新材料等高新技術學科。本項研究的學術價值在于：以現代計算機、測試技術為手段，架起技術基礎學科與金屬材料熱加工的橋梁，使基礎學科的理論能夠直接定量地指導材料熱加工過程，體現了基礎學科、高新技術與材料熱加工學科三者之間的相互交叉和有機結合。它使材料熱加工學科由“技藝”真正成為一門“科學”，它將推動材料熱加工理論、計算機圖形學、計算機金相學、計算機體視學、計算傳熱學、計算流體力學、并行工程等新興交叉學科的形成發展。