制造业能力和其技术水平代表了国家综合实力和国际竞争力。进入21世纪后制造业迎来国际化和多样化生产方式的冲击。随着计算机的硬件和软件技术，特别是网络技术的高速发展，信息化技术已经渗透到了整个社会，包括工业生产和制造技术。另一方面，国际上的制造业格局也从地方化、国家本位方式变为更广泛的国际化生产方式。就汽车工业而言，调配世界各地零部件来组合整车已经变成现实。如何把当前的信息技术更有效地导人到制造业技术中，以便于进一步降低成本提高生产效率，降低能源改善生产环境，已经成为当务之急的重要课题。特别是我国自从加入WTO组织之后，认清国际制造业的发展趋势，认真考虑如何适应经济产业全球化的生存环境和发展条件，改善中国的生产环境和社会环境，提高加工制造业中的节能技术含量和力度，创建循环型社会系统，借鉴有益的国外制造业生产的经验使中国经济得到长期持续发展，是摆在中国制造业技术发展面前的一系列重大课题。
尤其是当前国际上制造业技术的发展为了适应经济产业全球化和信息化以及环境能源要求，开始重新调整制造业的结构，加强信息化设计和管理，并且特别重视支持各种节能环保型制造业技术。以此为目的，以美欧日为首的制造业先进国家于1994年成立了制造技术开发的国际组织IMS(Intelligent Manufacturing System)。
热处理技术一直是制造加工业中的重要领域之一。特别是汽车、加工机床、车辆和船舶等领域使用的零部件大多数都需要通过热处理来提高零部件的机械强度、韧性和耐磨损等性能。然而，如何在保证热处理零部件的变形均一性的同时实现性能的设计要求，一直是热处理技术中的一个难题。只有解决这个问题，才能够实现低成本加工和零部件的高可靠性。可是长期以来，淬火、碳氮共渗、调质等热处理过程中对零部件变形的控制却仍然以现场经验为主，基本上没有实现定量的精确控制。这主要是因为热处理过程非常复杂，不仅包括了零部件材质的特性，在热处理过程中化学元素扩散、热、相变和力学行为的相互作用，还包括了冷却剂的特性的影响。要解决这个问题，建立热处理相关材料和冷却剂的数据库，在考虑了化学元素扩散、热、相变和力学行为的相互作用的前提下，对热处理过程警醒数值模拟是一个值得重视的方法口'41。早在1975年，Inoue和Reniecki就提出了考虑了淬火中固体的热、相变和力学行为的相互作用的理论模型，自1985年起越来越多的研究人员和学者对此问题产生兴趣，并提出了一些更加完善的模型和数值模拟的方法。在这之后，1992年Inoue和Ju与日本CRC公司合作首次开发了热处理的专用软件HEARTS，紧接着欧美等国都重视了对热处理数值模拟软件的开发，先后出现了SYSWELD ，GRANTAS，DEFORM-HT，DANTE刮等泛用或专用软件。这些有关热处理的CAE(Computer Aid Engineefing)软件和数值模拟技术被应用到淬火、高频淬火、渗碳、调质和锻造热处理等工艺中，取得了较好的效果。另一方面，为了给热处理数值模拟提供可靠的材料参数和冷却剂的传热参数，特别是提供包括相变的热物性和力学性能的参数，大力开发材料数据库和冷却剂数据库也逐渐受到重视。例如，1997年日本材料学会组织相关企业和专家开发了以热处理技术为背景的材料数据库MATEQ，日本热处理协会也开始开发冷却剂传热数据库。尽管如此，热处理中的变形控制仍然是一个尚未充分解决的难题，原因是没有大量的热处理试验的验证，就得不到可靠的材料特性和冷却剂传热特性，没有可靠的数据，热处理数值模拟的精度就难以保证。但是随着锻造和机械加工精度的不断提高，作为几乎是保证机械零部件性能的近终工艺一热处理工艺来说，如何减少热处理中变形的不均匀性，最大限度地降低热处理后的加工量(如磨削量)，对确保零部件的强度和降低加工成本都具有重大意义。为此，国际IMS组织于2003年组织欧盟、日本、韩国和加拿大的一些大学、企业以及研究机构成立了国际性共同研究课题组(VHT，Virtual Heat Treatment system)，针对以热处理变形控制为主题开展了国际合作研究，其重点是以试验验证为基础，开发具有新功能、高精度的数值模拟软件，具有数据挖掘功能的材料数据库，热处理知识库和热处理工艺优化分析的统和型虚拟系统。1年多的实践表明，这一系统的开发对热处理技术革新起了重要作用。本文重点介绍VHT课题组的一部分工作。
1 热处理虚拟系统的结构
在VHT课题的研究过程中，主要针对数种常用低碳钢的渗碳淬火进行了大量的试验验证，也对各种低碳钢的热物性、相变特性和力学特性进行了详细的测试和考核，对几种淬火油的传热特性进行了详细的测试和验证。试验和数值模拟的模型主要有齿轮、伞齿轮和轴承环以及圆柱体的轴类零件，根据这些试验结果课题组开发了热处理虚拟系统。热处理虚拟系统主要包括以下内容：
(1)新型热处理数值模拟软件COSMAP(Computer Simulation of Materials Process) 这一软件由Ju和Inoue主持开发旧，其功能除了固体的热、相变和力学行为的耦合分析之外还具有渗碳、渗氮、碳氮共渗、气体热流动等分析功能，相变动力学和相变塑性的多种模型。另外，如果连接材料数据库和传热数据库功能，便基本完善了热处理数值模拟系统。软件的结构功能概要(气体流动功能略)如图1所示。
(2)材料数据库和数据挖掘热处理是包含了动态的物理和化学的过程。因此，热处理技术中最重要的是要对材料本身有深刻的理解，特别是确切地掌握材料的热物性，材料微观和细观组织(例如，相变)的物理性能，力学性能以及它们之间的相互依存关系。然而，遗憾的是即便是目前普通常用的一些钢种，由于测量手段的限制，这些材料行为尚未被人们完全掌握。再加上各个生产厂家对同一规格材料的质量控制规范有所不同，便造成材料性能的偏差给精密控制热处理零部件的变形带来了困难。为此，VHT课题组在建立材料数据库的同时注重材料数据的挖掘，从而减少了试验的工作量。表1是针对日本汽车企业常用的几个钢种，通过试验、材料科学计算以及数据挖掘后得到的材料数据分布状况为数据挖掘结果。
(3)热处理优化系统热处理数值模拟的目的之一是在热处理之前给出合理的工艺方案，实现对热处理零部件的变形、残余应力以及内部组织的控制。然而，要达到这一目的，优化过程是必不可少的。图2是VHT提出的热处理虚拟系统图。从这个系统途中可以看出热处理的优化过程包括了数值模拟，材料数据库和数据挖掘等功能。
2 热处理虚拟系统的应用实例
IMS．VHT／Japan开发出的系统图，针对圆柱、圆环形零部件以及齿轮等进行了测试、模拟和工艺的优化设计。图3给出了三种类型模型的数值模拟结果。而且课题组采用各种评价技术针对冷却剂的传热、冷却速度、热处理畸变、残余应力、渗碳层深度、浓度分布和各种相变组织进行了全面的考核，并与数值模拟的结果进行了比较，验证了热处理虚拟系统的可靠性。
热处理知识库是在热处理数值模拟、材料数据库、冷却剂数据库、热处理炉(加热炉，真空炉等)的管理数据库，零部件管路数据库等信息化环境的基础上建立的热处理工艺决策系统。图4给出了这种知识系统的一种结构实例。每一个企业可以根据自身的管理方式开发自身的知识库系统，也可以根据客户方的要求构筑系统的关键部件。
通过这种知识库系统，和某一个部件相关的制造企业和用户企业可以同时根据利用热处理知识系统来决策该零部件的具体工艺条件。在零部件的生产中，材料的变化，尺寸的变化和市场的变化都是经常发生的，要满足这些要求，决策的效率和正确性对企业的发展至关重要。在IMS-VHT成果的应用中，充分地体现了热处理知识库的作用，特别是提高了热处理中小企业的生产效益和产品的质量，受到了普遍的好评。
3 结束语
热处理技术是制造业中的一个重要领域，这个技术不仅对提高材料的高附加价值和高性能起到很大的作用，也是新材料开发中经常采用的工艺。因此，精确地模拟热处理工艺中出现的复杂现象，对机械零部件的可靠性、新材料的开发、降低工艺成本都紧密相关，至关重要。
本文对近年来国际上开发热处理虚拟系统的动向进行了简要介绍。通过近年来国际上热处理信息化的动向和研究成果可以看出热处理虚拟系统的作用和意义。本文如能为从事热处理研究的同行提供一些参考价值，实属欣慰。
