材料物理模拟技术在中国的发展及其应用

梁灏

摘 要：在制作材料与热加工时会出现多种物理与力学行为，这部分行为很难定量预估，使用物理模拟技术能够准确再现物理力学行为。因此，本文对材料物理概念进行了简要的分析，然后探讨了材料物理模拟技术在国内的发展与应用，以供参考。作为高中生，除去需要学习课本知识以外，还需要了解其他领域的知识。就材料物理模拟而言，我们知道，在过去材料研究过程中，为评估工艺方案对材料性能的影响，使用了试验的方式，这种凭借反复试验的方式花费时间较多，同时得到的结果仅仅是某一个产品在特殊条件下的工艺和性能关系，无法探究高层次的科学问题。

关键词：材料 物理模拟技术 发展 应用

中圖分类号：TB302.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（c）-0097-02

1 材料物理概念

材料物理就是概述固体材料的电磁、光热、弹性等性能的物理模型、变化的基本规律与影响因素、基础性能测试方式。作为高中生，为了可以给将来进入大学打下扎实的知识基础，需要了解到其是大学本科材料类型专业必修课程。一些从事了材料物理性能教学和探究工作多年的人感觉到了为了全面适应材料科学发展与应用领域需求，原工料物理性能课程内容必须要拓展开来，需要在相同学科基础之上把半导体、电介质与聚合物等工程下料均当作材料物理考察对象。思考到攻克学生比较关注物理概念与潜在工程运用特征，在实际开展教学的过程中需要关注到知识衔接情况下防止复杂的数据推导而突出关系式物理意义，尽可能使用形象直观的曲线图且提供必要数据信息。

2 材料物理模拟技术在国内的发展和运用

2.1 物理模拟试验装置

整体而言，中国最早的热模拟装置是模仿前苏联HMET试验机与美国Gleeble试验机，因为科学研究费用不够，中国热模拟试验机研制水平和西方国家有着一定的差距。近期，中国一部分单位立足于引入美国Gleeble与日本国家的Thermecmastor试验机，在这之中，Gleeble试验机在中国独占鳌头。到了20世纪80年代，中国引入的Gleeble试验机超出100多台，单个国家具备量排在全球首位，占据全球Gleeble试验机总数的1/3。在中国，日本国家Thermecmastor产品数目不多，此后武钢第一次引入了该单位的10t热模拟装置Thermecmastor-W以来，宝钢在21世纪初引入了Thermecmastor-Z，别的公司引入了该单位设备。

2.2 物理模拟技术交流

虽中国物理模拟试验装置自行研制的水平比不上发达国家，可是在物理模拟技术探索和沟通方面的活动进行得很顺畅。在20世纪末到21世纪初，中国机械工程学会等单位发起了材料和热加工物理模拟与数值模拟会议，在中国举行了几次，参与会议的国家与人数从首次的4个国家80个代表，变成了6次38个国家与地区500多名代表。材料和热加工物理模拟与数值模拟国际会议在2013年第一次在芬兰举行。

物理模拟精度是物理模拟技术得到广泛运用与发展的前提条件和基础。这些年来，随着模拟试验设备功能的不断研发，模拟精度提升始终是材料和热加工界探讨的一大话题。提升物理模拟精度的方式就是：（1）研发出新的试验设备；（2）采用科学的试验方式和技术；（3）有效处理与修正试验数据。在试验装备层面，对生产商而言，就是提升设备模拟能力与附件测量精度，对很多材料工作人员而言，是按照试验目的挑选试验设备和检测方法。比如，在开展物理模拟试验的过程中，对带缺口的试样而言，要想得到很宽的均温区，需要采用感应加热设备。可是感应加热因为遭到表面集肤效应所影响，加热和冷却速率有一定的局限性。电阻加热能够得到比感应加热大的加热和冷却速率，可是试样围绕轴向方向的温度需要给予一定的关注力度，原因在于温度会对轴向变形应力以及应变测量带来非常大的影响。所以，把控电阻加热试样均温区宽度与温度可以有效提升模拟精度。如对10mm×12mm的碳钢圆柱体压缩试样，使用碳化钨压头与石墨润滑时，工作温度是900℃，试样中部及端部温度相差15℃。而温度是1200℃时，温度相差42℃。将试样直径变大能够减小轴向温差。除此以外，为稳定温度，必须要具备保温时间。

2.3 物理模拟技术应用

在国内很多台物理模拟试验设备中，大概有1/2分布在各个钢铁单位，而还有一小部分分布在高校中，剩下的就分布在研究所。物理模拟技术在国内钢铁公司中起着重要作用，不仅提升了钢铁品质，还推动了机械工业与建筑产业发展。在高校与研究所，物理模拟技术通常使用在新的结构材料与功能材料研制和热加工优化上，给新材料研制提供了技术支持。

第一，空间环境中铝合金焊接接头安全评价与使用时间预测。在这一项目里面，经过在热模拟试验机中对铝合金焊接接头开展空间环境热模拟试验，对指定空间下承载焊接接头的损失失效行为展开了探索与分析，同时把物理模拟和数值模拟相融，对焊接接头区域力学性能展开了计算，构建了空间热循环下承载铝合金焊接接头损伤模型。经过这一探索可以了解到，相关空间热循环情况下承载铝合金焊接接头新损伤和失效制度，构建了热循环辅助性孔洞形核制度，对热循环下材料性能演变与大小不稳定效应展开了理论分析。探究成果益于丰富孔洞细观损伤理论。

第二，耐磨钢耐磨性和焊接性预估模型及工艺优化。这一项目是黑龙江哈尔滨工业大学和武钢协作研制的新产品项目。经过在Gleeble-1500热模拟试验机开展焊接热模拟试验，获得模拟焊接热循环数据新型，制作了NM-360钢SH-CCT曲线，与此同时测定了奥氏体改变的温度，这一曲线不仅充分体现了这种钢的焊接性，并且还可以借鉴别的制定防止焊接缝隙出现的合理热输入与焊接参数。除此以外，构建了工艺参数和耐磨钢硬度动力学关系，同时得到了硬度较高的耐磨钢回火脆性以及焊接冷裂纹出现的原因和解决方案。给武钢提供了轧制参数与焊接函数。

第三，细边穿刺碳-碳复合材质高温力学行为和性能预测。因为Gleeble-1500热模拟试验机经常使用的热电偶测温上限是1500℃，PUL-SARII-1700光电高温计最大为1650℃。细边穿刺碳-碳复合材质因为有着很好的高温性能，在不是氧化的环境下于2000℃左右的温度下依旧可以维持室温力学性能，而在氧化环境下，温度能够达到1600℃以上，因而使用Gleeble-1500热模拟试验机自身测温系统将无法完成测温流程。所以，黑龙江哈尔滨工业大学使用了中国研制的W-3Re钨铼热电偶当成测温元件，对引入的Gleeble-1500试验机热电偶线性化补偿器改善，设计出了全新的配置补偿电路，让热电偶在2000℃左右的线性测量精度达到了1%。

3 结语

作为高中生的我们，需要了解到材料物理的重要性，并且积累相关知识，为以后学习奠定基础。通过了解，我们可以发现材料物理模拟技术在中国得到了一定的成就，可是依旧有很多问题存在着。所以，需要把高校优秀人才优势以及企业设备优势相融，发挥出设备潜在能力；强化实验设备操作技术人员培训，创造条件增强其材料与机械等知识；构建国际物理模拟技术联合会，实时开展试验装置功能研发和运用沟通，提高材料物理模拟技术应用水平。

参考文献

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