引言
由于热处理过程受到多个因素的交互影响，在实践中很难通过物理模拟的方式进行研究，特别是热处理发生在高温阶段，无法对组织、应力、变形等过程进行实时测量，室温状态的分析测试结果很难得到规律性成果。因此采用各种技术对热处理过程进行虚拟分析，对深入理解热处理过程的组织、应力与温度之间的相互影响规律，指导工艺设计具有重要意义。
1金属材料成分分析作用
首先是有益于金属材料安全、经济、合理的应用。针对金属材料的成分进行有效的分析，有助于对金属材料应用的经济性、安全性和合理性的提升，使其能够更好地发挥出金属材料的优良性能。尤其对金属材料潜力的发挥，能够使其形成人们所需要的使用性能。例如，在充分了解和掌握金属材料成分后，对金属材料的基体金属与合金组元的合理搭配，运用合适的加工工艺和热处理方法，能够使其性能达到最佳。其次是有助于对金属材料性能的了解。通过金属材料成分分析能够帮助人们掌握金属材料性能的成因，并通过多种材料分析进行金属材料规律的总结。在分析设备的显现下，金属材料显微组织具备晶粒类型、形状、大小、相对数量和相对分布等五大要素，均能够对金属材料的性能产生很大的影响。其中，金属材料的原子结构、原子之间结合键和晶体结构等方面是决定金属材料显微组织中各种晶粒相对数量的主要因素。同时，不同成分的金属材料在这一方面也存在着很大的差异，在性能方面也有着很大的不同。
2热处理仿真基础理论与模型进展
以金属材料中的钛合金为例分析。钛合金的热处理过程包含温度、组织转变与应力三方面交互作用，最关键环节是针对相变和应力的数值模型。因此，目前大部分基础理论与建模的进展主要集中在这两方面。钛合金在热处理过程中存在多种类型的相变，其中β、α相之间的转变是最基本、最重要的一种，几乎所有钛合金在高温冷却或者时效过程中均会发生。钛合金的β相为体心立方结构，而α相为密排立方结构，两相之间存在严格的Burgers位向关系。当冷却速度较慢时，β-α转变受到溶质元素的扩散控制，两相中的成分会有明显不同。除此以外，当冷却速度很大时，β相转换成α相的过程可能来不及进行，此时β相会发生马氏体相变，转变成与母相成分相同、晶体结构不同的过饱和固溶体，如六方马氏体α'和斜方马氏体α''，此时相变过程不发生元素扩散，主要发生晶格重构，转变也没有孕育期，相变动力学过程很快。从上面描述还可看出，钛合金基体组织的相变机制与钢铁材料中的奥氏体分解过程比较类似，也存在扩散型和切边型两种类型的相变。同时许多试验研究均表明，β-α的扩散型相变也包含孕育期，相变动力学曲线也类似S型。因此，许多在钢铁材料中的热处理微观组织计算方法也可用于钛合金相变过程的计算。最经典描述扩散型相变的方程是Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov(JMAK)方程，也被广泛应用于钛合金的相变动力学模拟。JMAK方程是描述等温过程的相变体积分数与时间的数学关系，通过Schlie叠加原则，可将非等温相变过程等价为多个微小等温过程的叠加，从而实现任意温度下的微观组织预测。通过对经典JMAK方程的修正与发展，可进一步在模型中考虑初始母相晶粒度的影响。钛合金的β相转变过程中，会形成多种形貌的α相组织。针对钛合金的这种特性，JMAK方程也被进一步发展，可用于预测等轴晶、针状组织等不同形貌α相的体积分数及其动力学特性。Koistinen-Margurger(KM)唯象模型及其变体形式被广泛应用于钢与钛合金的马氏体切变型相变。KM模型比较简洁，相变分数与温度之间的关系清晰明了，相关参数很容易确定，在软件二次开发中很容易实现，但是KM模型不能准确描述马氏体相变初始阶段的动力学。
3金属材料热处理变形及开裂问题
首先是金属零部件在热处理过程中会经历加热、保温和冷却三个阶段，在加热和冷却不均匀的情况下，金属组织在固定下会呈现出不同的变化，最终使得工件在热处理的过程中产生了一定的内应力。在这种内应力的作用下金属零部件会出现塑性变形的问题。其次是金属材料热处理对周围温度有着较高的要求，在操作的时候如果没有对温度进行有效的把控就会使得金属材料出现热处理变形和开裂的问题。比如在没有对金属材料进行精密温度测量就将其直接进行热处理就会导致金属材料报废。
4金属材料热处理措施
4.130CrMnSiA钢筒形件超高强度热处理工艺
热处理试验中30CrMnSiA钢淬火后采用低温回火，使其具有超高强度。所以材料的塑性、韧性将比高温回火的低。因此应注意在确保产品强度符合其质量要求的前提下，选取较高的低温回火温度，延长低温回火的时间，尽可能地提高其塑性和韧性。为了提高30CrMnSiA钢超高强度热处理后的塑性和韧性，还应当进一步改进热处理工艺。超高强度钢应注意防止氢脆，30CrMnSiA钢采用淬火+低温回火热处理工艺后也应该防止氢脆。特别是在含氢的可控气氛热处理炉中淬火的薄壁件，更应注意将低温回火与除氢处理结合起来进行除氢处理，确保产品的安全可靠。
4.2热处理仿真在钛合金中的应用
某公司以增材制造工艺为研究对象，针对钛合金增材制造冷却与热处理过程，构建出相变模拟框架，采用KM方程模拟快速冷却过程的β-α'马氏体相变，JMAK方程模拟钛合金的β-α扩散型相变动力学，模型中考虑了β相的初始晶粒尺寸对相变动力学的影响，也可以进一步模拟α'相的板条束宽度。基于这一框架，在ABAQUS中进行二次开发，成功预测了TC4钛合金在增材制造过程中所得到的微观组织，模拟结果与扫描电镜的试验结果吻合很好。基于平均场理论的相变模型，可模拟任意冷却路径下的初生α相晶粒尺寸和体积分数，也可扩展用于TC4和Ti6242合金中的双态组织预测。将此模型和DEFOＲM有限元软件结合，有限元模拟得到的零件局部位置冷却路径作为输入条件，从而可模拟整个零件截面的微观组织。采用Johnson-Mehltessellation和Boolean模 型模拟TC4合金锻造与热处理过程初生α相的形成，这一模型同样基于平均场理论，可以与宏观温度场、变形场相互耦合计算求解。
结语
总之，分析如何解决金属材料的热处理变形和开裂问题，旨在能够提升金属材料的使用寿命，在使用金属材料的时候减少资金和材料浪费现象的发生。
参考文献
［1］李振柱.金属材料热处理变形及开裂问题探讨［J］.科学与信息化，2016，（20）：71-72，74.
［2］赵梅春，孙志辉.金属材料热处理变形及开裂问题研究［J］.世界有色金属，2019，（15）：33.