docs: 添加物理模拟与淬火系统技术设计

design/04 仅保留加工硬化与晶粒演化,应力/淬火部分引用 design/05、design/06。design/05 涵盖温度区间、冷却速率、Sigmoid 硬度映射、相态系统、三阶段可视化(过程高辨识→冷却过渡→真实回火色)。

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Co-authored-by: Sisyphus <clio-agent@sisyphuslabs.ai>

docs/design/04-物理模拟-加工硬化与晶粒演化设计.md

@@ -0,0 +1,792 @@
+# 物理模拟-加工硬化与晶粒演化设计
+
+**项目**: BladeSmith
+**文档类型**: 技术设计(专题)
+**版本**: 2.0
+**最后更新**: 2026-08-11
+**状态**: 整合自原 `2026-01-22-物理模拟架构细节.md`
+
+> 本文档描述加工硬化与晶粒演化的技术实现。需求见 [../requirements/04-加工硬化与晶粒演化需求.md](../requirements/04-加工硬化与晶粒演化需求.md)。总体架构见 [00-锻造系统总体技术架构.md](00-锻造系统总体技术架构.md)。
+>
+> **注意**: 应力分布系统的详细技术内容见 [06-应力累积系统设计.md](06-应力累积系统设计.md)。淬火退火相变系统的详细技术内容见 [05-淬火退火相变系统设计.md](05-淬火退火相变系统设计.md)。本文档仅简要引用这两部分。
+
+---
+
+## 1. 技术背景
+
+加工硬化(Work Hardening)和晶粒演化是锻造过程中的核心物理现象:
+
+- **加工硬化**: 金属在塑性形变后变硬,屈服强度提高,机理是位错密度增加、晶格畸变。加热到再结晶温度(约600°C)后可软化。
+- **晶粒演化**: 温度和应变影响微观组织。细晶粒高强度高韧性(Hall-Petch关系),粗晶粒高温下更容易形变。
+
+---
+
+## 2. 数据结构
+
+### 2.1 扩展体素结构
+
+```cpp
+USTRUCT(BlueprintType)
+struct FTemperatureVoxel
+{
+    GENERATED_BODY()
+
+    // ===== 已有字段（保留） =====
+    UPROPERTY()
+    float Temperature;              // 温度（°C）
+
+    UPROPERTY()
+    float PlasticityCoefficient;    // 塑性系数（0-1）
+
+    UPROPERTY()
+    uint8 Flags;                    // 标志位（bit 0: 表面体素）
+
+    // ===== 新增字段 =====
+
+    // 平均应变率（记录形变活跃度）
+    UPROPERTY()
+    float AverageStrainRate;        // 0-1范围，归一化的应变率
+
+    // 冷却速率（用于淬火判断，详见设计文档05）
+    UPROPERTY()
+    float CoolingRate;              // °C/s
+
+    // 相态标记（详见设计文档05）
+    UPROPERTY()
+    EPhaseState PhaseState;         // 奥氏体/马氏体/珠光体
+
+    // 淬火标记（是否经历过快速冷却，详见设计文档05）
+    UPROPERTY()
+    bool bHasBeenQuenched;          // 淬火状态
+
+    FTemperatureVoxel()
+        : Temperature(20.0f)
+        , PlasticityCoefficient(0.0f)
+        , Flags(0)
+        , AverageStrainRate(0.0f)
+        , CoolingRate(0.0f)
+        , PhaseState(EPhaseState::Austenite)  // 初始为奥氏体
+        , bHasBeenQuenched(false)
+    {}
+};
+```
+
+### 2.2 相态枚举
+
+```cpp
+/**
+ * 相态枚举
+ * 相变系统详细内容见设计文档05
+ */
+UENUM(BlueprintType)
+enum class EPhaseState : uint8
+{
+    Austenite      UMETA(DisplayName = "奥氏体"),    // 高温软相（>800°C）
+    Martensite     UMETA(DisplayName = "马氏体"),    // 淬火硬相
+    Pearlite       UMETA(DisplayName = "珠光体"),    // 缓冷软相
+    Bainite        UMETA(DisplayName = "贝氏体"),    // 中间相
+    Cracked        UMETA(DisplayName = "开裂")       // 永久缺陷
+};
+```
+
+### 2.3 顶点属性结构
+
+```cpp
+class ADynamicIronBlock
+{
+private:
+    // ===== 顶点自定义属性层 =====
+
+    // 初始位置（用于无漂移纹理采样）
+    TDynamicMeshVertexAttribute<FVector>* InitialPositions;
+
+    // 累积塑性应变（0-1，归一化）
+    TDynamicMeshVertexAttribute<float>* AccumulatedStrain;
+
+    // 当前硬度系数（0-1，0=最软，1=最硬）
+    TDynamicMeshVertexAttribute<float>* HardnessCoefficient;
+
+    // 打磨度（表面状态，0=生锈，1=光亮）
+    TDynamicMeshVertexAttribute<float>* PolishAmount;
+
+    // 晶粒尺寸（0-1，归一化，0=细晶粒，1=粗晶粒）
+    TDynamicMeshVertexAttribute<float>* GrainSize;
+
+    // 应力值（简化标量，0-1，0=无应力，1=高应力）
+    // 应力系统详细内容见设计文档06
+    TDynamicMeshVertexAttribute<float>* StressValue;
+
+    // 应力方向（可选，三维向量）
+    TDynamicMeshVertexAttribute<FVector>* StressDirection;
+
+public:
+    // 初始化所有顶点属性
+    void InitializeVertexAttributes();
+};
+```
+
+---
+
+## 3. 加工硬化模型
+
+### 3.1 物理原理
+
+加工硬化(Work Hardening):
+- **现象**: 金属在塑性形变后变硬,屈服强度提高
+- **机理**: 位错密度增加,晶格畸变
+- **可逆性**: 加热到再结晶温度(约600°C)后软化
+
+### 3.2 应变-硬度映射
+
+```cpp
+/**
+ * 应变-硬度映射（简化经验公式）
+ * 基于真实钢的应力-应变曲线拟合
+ */
+float CalculateHardnessFromStrain(float AccumulatedStrain)
+{
+    // 参数（可调）
+    const float InitialHardness = 0.2f;     // 初始硬度
+    const float MaxHardness = 1.0f;          // 最大硬度
+    const float SaturationStrain = 0.5f;     // 饱和应变
+
+    // Ludwik方程简化版：σ = σ₀ + k·εⁿ
+    float HardnessIncrease = MaxHardness - InitialHardness;
+    float StrainEffect = FMath::Pow(AccumulatedStrain / SaturationStrain, 0.5f);
+
+    return InitialHardness + HardnessIncrease * FMath::Min(StrainEffect, 1.0f);
+}
+```
+
+### 3.3 温度软化因子
+
+高温下硬度降低(模拟动态回复)。
+
+```cpp
+/**
+ * 温度软化因子
+ * 高温下硬度降低（模拟动态回复）
+ */
+float CalculateThermalSoftening(float Temperature, float Hardness)
+{
+    // 再结晶温度（简化）
+    const float RecrystallizationTemp = 600.0f;  // °C
+
+    if (Temperature < RecrystallizationTemp)
+        return Hardness;  // 低温：无软化
+
+    // 高温：软化
+    float Overheating = Temperature - RecrystallizationTemp;
+    float SofteningFactor = FMath::Clamp(Overheating / 400.0f, 0.0f, 0.8f);
+
+    return Hardness * (1.0f - SofteningFactor);
+}
+```
+
+### 3.4 锤击时更新硬度和应变
+
+```cpp
+/**
+ * 锤击时更新硬度和应变
+ */
+void ADynamicIronBlock::OnHammerImpact(
+    FVector HitLocation,
+    float ImpactRadius,
+    float ImpactForce)
+{
+    FVector LocalHitPos = GetTransform().InverseTransformPosition(HitLocation);
+
+    DynamicMesh->EditMesh([&](FDynamicMesh3& Mesh)
+    {
+        for (int32 VID : Mesh.VertexIndicesItr())
+        {
+            FVector VertexPos = Mesh.GetVertex(VID);
+            float Distance = FVector::Dist(VertexPos, LocalHitPos);
+
+            if (Distance < ImpactRadius)
+            {
+                // 1. 计算局部形变量（简化）
+                float DistanceRatio = Distance / ImpactRadius;
+                float LocalDeformation = FMath::Pow(1.0f - DistanceRatio, 2.0f);
+                float StrainIncrease = LocalDeformation * ImpactForce * 0.0001f;
+
+                // 2. 累积应变
+                float CurrentStrain = AccumulatedStrain->GetValue(VID);
+                float NewStrain = FMath::Min(1.0f, CurrentStrain + StrainIncrease);
+                AccumulatedStrain->SetValue(VID, NewStrain);
+
+                // 3. 从温度体素采样温度
+                FVector VoxelPos = VertexPos / VoxelSize;
+                float Temperature = SampleTemperatureFromVoxel(VoxelPos);
+
+                // 4. 计算硬度（应变硬化）
+                float StrainHardness = CalculateHardnessFromStrain(NewStrain);
+
+                // 5. 温度软化
+                float FinalHardness = CalculateThermalSoftening(Temperature, StrainHardness);
+
+                // 6. 更新硬度
+                HardnessCoefficient->SetValue(VID, FinalHardness);
+
+                // 7. 硬度影响形变阻力（可选：反馈到形变计算）
+                // 下一锤击时，高硬度区域形变小
+            }
+        }
+    });
+}
+```
+
+---
+
+## 4. 晶粒演化模型
+
+### 4.1 物理原理
+
+晶粒尺寸影响材料特性:
+- **细晶粒**: 高强度、高韧性(Hall-Petch关系)
+- **粗晶粒**: 高温下更容易形变
+
+晶粒演化因素:
+- **再结晶**: 高温+应变 → 新晶粒形成
+- **晶粒长大**: 高温下晶粒合并
+- **晶粒细化**: 大应变+低温 → 细化
+
+### 4.2 晶粒尺寸演化
+
+```cpp
+/**
+ * 晶粒尺寸演化（简化标量模型）
+ */
+float EvolveGrainSize(
+    float CurrentGrainSize,    // 当前晶粒尺寸（归一化0-1）
+    float Temperature,          // 当前温度（°C）
+    float Strain,              // 累积应变
+    float DeltaTime)           // 时间步长
+{
+    const float RecrystallizationTemp = 600.0f;
+    const float GrainGrowthTemp = 900.0f;
+
+    // 1. 再结晶：大应变+高温 → 晶粒细化
+    if (Temperature > RecrystallizationTemp && Strain > 0.3f)
+    {
+        float RecrystallizationRate = 0.1f;  // 可调
+        return CurrentGrainSize * (1.0f - RecrystallizationRate * DeltaTime);
+    }
+
+    // 2. 晶粒长大：高温 → 晶粒粗化
+    if (Temperature > GrainGrowthTemp)
+    {
+        float GrowthRate = 0.05f * (Temperature - GrainGrowthTemp) / 300.0f;
+        return FMath::Min(1.0f, CurrentGrainSize * (1.0f + GrowthRate * DeltaTime));
+    }
+
+    // 3. 晶粒细化：大应变 → 晶粒细化
+    if (Strain > 0.5f)
+    {
+        float RefinementRate = 0.02f;
+        return FMath::Max(0.1f, CurrentGrainSize * (1.0f - RefinementRate * DeltaTime));
+    }
+
+    return CurrentGrainSize;
+}
+```
+
+### 4.3 更新顶点晶粒尺寸
+
+```cpp
+/**
+ * 更新顶点晶粒尺寸
+ */
+void ADynamicIronBlock::UpdateGrainStructure(float DeltaTime)
+{
+    DynamicMesh->EditMesh([&](FDynamicMesh3& Mesh)
+    {
+        for (int32 VID : Mesh.VertexIndicesItr())
+        {
+            float CurrentGrainSize = GrainSize->GetValue(VID);
+            float Strain = AccumulatedStrain->GetValue(VID);
+
+            // 采样温度
+            FVector Pos = Mesh.GetVertex(VID);
+            float Temperature = SampleTemperatureFromVoxel(Pos);
+
+            // 演化晶粒尺寸
+            float NewGrainSize = EvolveGrainSize(CurrentGrainSize, Temperature, Strain, DeltaTime);
+
+            GrainSize->SetValue(VID, NewGrainSize);
+        }
+    });
+}
+```
+
+### 4.4 大马士革花纹模拟
+
+```cpp
+/**
+ * 初始化层状材料（用于大马士革钢）
+ */
+void InitializeLayeredMaterialStructure()
+{
+    DynamicMesh->EditMesh([&](FDynamicMesh3& Mesh)
+    {
+        TDynamicMeshVertexAttribute<int32>* MaterialLayerID =
+            new TDynamicMeshVertexAttribute<int32>(&Mesh);
+
+        for (int32 VID : Mesh.VertexIndicesItr())
+        {
+            FVector Pos = Mesh.GetVertex(VID);
+
+            // 简单层状分布：沿Z轴
+            // 每层厚度2mm
+            int32 LayerID = (int32)FMath::Floor(Pos.Z / 2.0f) % 2;
+
+            MaterialLayerID->SetValue(VID, LayerID);
+        }
+    });
+}
+```
+
+### 4.5 大马士革花纹材质HLSL
+
+```hlsl
+// 材质中基于MaterialLayerID采样不同颜色
+float LayerID = MaterialLayerAttribute;  // 从顶点属性读取
+
+float3 HighCarbonColor = float3(0.15, 0.1, 0.08);   // 深色层
+float3 LowCarbonColor = float3(0.75, 0.7, 0.65);    // 浅色层
+
+float3 BaseColor = lerp(HighCarbonColor, LowCarbonColor, LayerID);
+
+// 添加扭曲（基于形变）
+float Distortion = length(AccumulatedStrain) * 5.0;
+float3 WarpedPattern = WarpedNoise(BaseColor, Distortion);
+
+FinalColor = BaseColor * (0.8 + WarpedPattern * 0.2);
+```
+
+---
+
+## 5. GPU Compute Shader集成
+
+### 5.1 Shader结构
+
+```
+MiceShaders/Source/MiceShaders/Private/
+├── MetallurgyComputeShader.usf
+├── MetallurgyComputeShader.h
+└── MetallurgyComputeShader.cpp
+```
+
+### 5.2 Metallurgy Compute Shader HLSL
+
+```hlsl
+// MetallurgyComputeShader.usf
+
+#define VOXEL_SIZE 50
+#define THREAD_COUNT 32
+
+// 输入/输出缓冲区
+RWStructuredBuffer<float4> TemperatureBufferA;      // 温度 + 塑性系数
+RWStructuredBuffer<float4> TemperatureBufferB;      // Ping-Pong
+
+RWStructuredBuffer<float4> MetallurgyBuffer;        // 应变率 + 冷却速率 + 相态 + 淬火标记
+
+// 参数
+cbuffer MetallurgyParams
+{
+    float DeltaTime;
+    float3 VoxelWorldMin;
+    float VoxelSize;
+    float3 Padding;
+};
+
+/**
+ * 计算 Metallurgy Shader 主函数
+ */
+[numthreads(THREAD_COUNT, THREAD_COUNT, 1)]
+void MetallurgyComputeShader(uint3 ThreadId : SV_DispatchThreadID)
+{
+    uint VoxelIndex = ThreadId.x + ThreadId.y * VoxelSize;
+
+    // 读取温度
+    float Temperature = TemperatureBufferA[VoxelIndex].r;
+    float Plasticity = TemperatureBufferA[VoxelIndex].g;
+
+    // 读取应变率
+    float StrainRate = MetallurgyBuffer[VoxelIndex].r;
+
+    // 1. 应变率衰减（模拟时效）
+    StrainRate *= 0.99;
+
+    // 2. 计算冷却速率（相变判断基础，详见设计文档05）
+    float3 WorldPos = VoxelToWorldPosition(VoxelIndex);
+    float SurfaceFactor = IsSurfaceVoxel(WorldPos) ? 1.0 : 0.1;
+    float CoolingRate = SurfaceFactor * (Temperature - 20.0) * 0.1;
+
+    // 3. 相态判断（详细相变逻辑见设计文档05）
+    uint PhaseState = 0;  // 奥氏体
+    if (CoolingRate > 100.0 && Temperature > 800.0)
+    {
+        PhaseState = 1;  // 马氏体（淬火）
+    }
+    else if (Temperature < 600.0)
+    {
+        PhaseState = 2;  // 珠光体（缓冷）
+    }
+
+    // 写回
+    MetallurgyBuffer[VoxelIndex] = float4(StrainRate, CoolingRate, PhaseState, 0.0);
+}
+
+/**
+ * 辅助函数：体素索引转世界坐标
+ */
+float3 VoxelToWorldPosition(uint Index)
+{
+    uint X = Index % VoxelSize;
+    uint Y = (Index / VoxelSize) % VoxelSize;
+    uint Z = Index / (VoxelSize * VoxelSize);
+
+    return VoxelWorldMin + float3(X, Y, Z) * VoxelSize;
+}
+
+/**
+ * 辅助函数：判断是否为表面体素
+ */
+bool IsSurfaceVoxel(float3 WorldPos)
+{
+    // 简化：边界体素为表面
+    // 实际应使用法线判断
+    return false;
+}
+```
+
+### 5.3 C++ Shader封装
+
+```cpp
+// MetallurgyComputeShader.h
+class FMetallurgyComputeShader
+{
+public:
+    static void Dispatch(
+        FRHICommandListImmediate& RHICmdList,
+        FStructuredBufferRHIRef TemperatureBufferA,
+        FStructuredBufferRHIRef TemperatureBufferB,
+        FStructuredBufferRHIRef MetallurgyBuffer,
+        float DeltaTime,
+        FIntVector VoxelResolution);
+};
+```
+
+### 5.4 C++ Shader调用
+
+```cpp
+// MetallurgyComputeShader.cpp
+void FMetallurgyComputeShader::Dispatch(
+    FRHICommandListImmediate& RHICmdList,
+    FStructuredBufferRHIRef TemperatureBufferA,
+    FStructuredBufferRHIRef TemperatureBufferB,
+    FStructuredBufferRHIRef MetallurgyBuffer,
+    float DeltaTime,
+    FIntVector VoxelResolution)
+{
+    // 设置Shader
+    TShaderMapRef<FMetallurgyComputeShader> ComputeShader(GetGlobalShaderMap(GMaxRHIFeatureLevel));
+
+    // 设置参数
+    RHICmdList.SetComputeShader(ComputeShader.GetComputeShader());
+    ComputeShader->SetParameters(RHICmdList, TemperatureBufferA, TemperatureBufferB,
+        MetallurgyBuffer, DeltaTime, VoxelMin, VoxelSize);
+
+    // Dispatch
+    int32 ThreadGroupCount = (VoxelResolution.X + 31) / 32;
+    RHICmdList.DispatchComputeShader(ThreadGroupCount, ThreadGroupCount, 1);
+}
+```
+
+### 5.5 异步Dispatch模式
+
+```cpp
+ENQUEUE_RENDER_COMMAND(FMetallurgyComputeDispatch)(
+    [this, DeltaTime](FRHICommandListImmediate& RHICmdList)
+    {
+        FMetallurgyComputeShader::Dispatch(
+            RHICmdList,
+            TemperatureBufferA,
+            TemperatureBufferB,
+            MetallurgyBuffer,
+            DeltaTime,
+            TemperatureResolution
+        );
+
+        bMetallurgyComputeComplete = true;
+    }
+);
+// CPU 继续其他工作，不等待GPU
+```
+
+---
+
+## 6. 材质可视化
+
+### 6.1 硬度可视化
+
+```hlsl
+// 材质中：基于硬度调整颜色
+float Hardness = SampleHardnessFromVoxel(WorldPos);
+
+float3 SoftColor = float3(0.6, 0.5, 0.4);   // 软：棕色
+float3 HardColor = float3(0.8, 0.8, 0.85);  // 硬：银白色
+
+float3 HardnessColor = lerp(SoftColor, HardColor, Hardness);
+```
+
+### 6.2 应力可视化
+
+**注意**: 应力分布系统的详细可视化见 [06-应力累积系统设计.md](06-应力累积系统设计.md)。此处为简要引用。
+
+```hlsl
+// 顶点颜色.A通道存储应力
+float Stress = VertexColor.a;
+
+float3 LowStressColor = float3(0.3, 0.5, 0.7);   // 低应力：蓝色
+float3 HighStressColor = float3(1.0, 0.3, 0.1);  // 高应力：红色
+
+float3 StressColor = lerp(LowStressColor, HighStressColor, Stress);
+
+// 混合到基础颜色
+BaseColor = lerp(BaseColor, StressColor, Stress * 0.5);
+```
+
+### 6.3 相态可视化
+
+**注意**: 淬火相变系统的详细可视化见 [05-淬火退火相变系统设计.md](05-淬火退火相变系统设计.md)。此处为简要引用。
+
+```hlsl
+// 从体素采样相态
+float PhaseState = SamplePhaseStateFromVoxel(WorldPos);
+
+float3 AusteniteColor = float3(1.0, 0.8, 0.6);    // 奥氏体：浅橙色
+float3 MartensiteColor = float3(0.9, 0.85, 0.8);  // 马氏体：银白色
+float3 PearliteColor = float3(0.7, 0.6, 0.5);     // 珠光体：深灰色
+
+float3 PhaseColor;
+if (PhaseState < 0.5)
+    PhaseColor = AusteniteColor;
+else if (PhaseState < 1.5)
+    PhaseColor = MartensiteColor;
+else
+    PhaseColor = PearliteColor;
+
+// 根据温度过渡
+float Temp = SampleTemperatureFromVoxel(WorldPos);
+float MixFactor = smoothstep(600.0, 800.0, Temp);
+
+BaseColor = lerp(PhaseColor, AusteniteColor, MixFactor);
+```
+
+---
+
+## 7. 性能优化
+
+### 7.1 GPU优化策略
+
+```cpp
+// 1. 使用共享内存（GroupShared）
+groupshared float SharedTemperature[THREAD_COUNT * THREAD_COUNT];
+
+// 2. 波前优化（Wave Intrinsics）
+uint WaveSize = GetWaveSize();
+float WaveSum = WaveActiveSum(StrainRate);
+
+// 3. 避免分支 divergence
+if (CoolingRate > 100.0)  // 差：条件跳转
+    PhaseState = 1.0;
+PhaseState = step(100.0, CoolingRate);  // 好：无分支
+```
+
+### 7.2 CPU-GPU异步
+
+```cpp
+// 异步Dispatch
+ENQUEUE_RENDER_COMMAND(FMetallurgyComputeDispatch)(
+    [this, DeltaTime](FRHICommandListImmediate& RHICmdList)
+    {
+        FMetallurgyComputeShader::Dispatch(
+            RHICmdList,
+            TemperatureBufferA,
+            TemperatureBufferB,
+            MetallurgyBuffer,
+            DeltaTime,
+            TemperatureResolution
+        );
+
+        // 标记完成
+        bMetallurgyComputeComplete = true;
+    }
+);
+
+// CPU继续其他工作，不用等待GPU
+```
+
+### 7.3 LOD策略
+
+```cpp
+// 根据摄像机距离调整计算频率
+float DistanceToCamera = FVector::Dist(GetActorLocation(), CameraLocation);
+
+int32 ComputeFrequency;
+if (DistanceToCamera < 200.0f)
+    ComputeFrequency = 1;   // 每帧计算
+else if (DistanceToCamera < 500.0f)
+    ComputeFrequency = 2;   // 每2帧计算
+else
+    ComputeFrequency = 5;   // 每5帧计算
+
+static int32 FrameCounter = 0;
+if (++FrameCounter % ComputeFrequency == 0)
+{
+    DispatchMetallurgyComputeShader();
+}
+```
+
+---
+
+## 8. 参数配置示例
+
+### 8.1 碳钢(C105)
+
+```cpp
+// 加工硬化参数
+InitialHardness = 0.25f;
+SaturationStrain = 0.6f;
+WorkHardeningExponent = 0.55f;
+
+// 相变参数（详见设计文档05）
+AustenitizingTemp = 800.0f;
+QuenchingCriticalRate = 120.0f;
+MartensiteHardness = 0.95f;
+
+// 晶粒参数
+InitialGrainSize = 0.5f;
+RecrystallizationTemp = 650.0f;
+```
+
+### 8.2 高碳钢(C150)
+
+```cpp
+// 更容易硬化
+InitialHardness = 0.35f;
+SaturationStrain = 0.4f;
+
+// 淬火更敏感（详见设计文档05）
+QuenchingCriticalRate = 80.0f;  // 更容易淬火
+MartensiteHardness = 1.0f;       // 更硬
+```
+
+### 8.3 低碳钢(C20)
+
+```cpp
+// 难硬化
+InitialHardness = 0.15f;
+SaturationStrain = 0.8f;
+
+// 难淬火（详见设计文档05）
+QuenchingCriticalRate = 200.0f;  // 很难淬火
+MartensiteHardness = 0.7f;
+```
+
+---
+
+## 9. 调试工具
+
+### 9.1 体素数据可视化
+
+```cpp
+void ADynamicIronBlock::DebugDrawVoxelData()
+{
+    for (int32 Z = 0; Z < TemperatureResolution.Z; ++Z)
+    {
+        for (int32 Y = 0; Y < TemperatureResolution.Y; ++Y)
+        {
+            for (int32 X = 0; X < TemperatureResolution.X; ++X)
+            {
+                FIntVector Coord(X, Y, Z);
+                int32 Index = GetTemperatureIndex(Coord);
+                const FTemperatureVoxel& Voxel = TemperatureGrid[Index];
+
+                // 只绘制表面体素
+                if (!(Voxel.Flags & VOXEL_FLAG_SURFACE))
+                    continue;
+
+                FVector WorldPos = VoxelCoordToWorldPos(Coord);
+
+                // 颜色：温度
+                FLinearColor Color = FLinearColor(
+                    FMath::Clamp(Voxel.Temperature / 1200.0f, 0.0f, 1.0f),
+                    0.0f,
+                    1.0f - FMath::Clamp(Voxel.Temperature / 1200.0f, 0.0f, 1.0f)
+                );
+
+                DrawDebugPoint(GetWorld(), WorldPos, 3.0f, Color.ToFColor(), false, 0.1f);
+            }
+        }
+    }
+}
+```
+
+### 9.2 应力热图
+
+**注意**: 应力热图的详细实现见 [06-应力累积系统设计.md](06-应力累积系统设计.md)。此处为简要引用。
+
+```cpp
+void ADynamicIronBlock::DebugDrawStressHeatmap()
+{
+    if (!DynamicMesh->HasMesh())
+        return;
+
+    for (int32 VID : DynamicMesh->VertexIndicesItr())
+    {
+        if (VID % 50 != 0)  // 稀疏采样
+            continue;
+
+        float Stress = StressValue->GetValue(VID);
+        FVector WorldPos = GetActorTransform().TransformPosition(DynamicMesh->GetVertex(VID));
+
+        // 蓝色（低应力）→ 红色（高应力）
+        FColor HeatColor = FLinearColor::LerpUsingHSV(
+            FColor::Blue,
+            FColor::Red,
+            Stress
+        ).ToFColor();
+
+        DrawDebugPoint(GetWorld(), WorldPos, 5.0f, HeatColor, false, 5.0f);
+    }
+}
+```
+
+---
+
+## 10. 已知限制与未来改进
+
+### 10.1 当前限制
+
+1. **简化模型**: 所有物理模型均为经验公式,非严格物理计算
+2. **无热-力耦合**: 温度场和应力场独立计算,未考虑形变生热
+3. **无磁-电效应**: 忽略了电磁场对相变的影响
+4. **各向同性**: 假设材料各向同性,真实钢有晶粒取向
+5. **晶粒模型极度简化**: 真实晶粒有复杂3D形状与取向,当前用标量GrainSize
+
+### 10.2 适用场景
+
+游戏娱乐级,足够真实感但非科研级精度。
+
+---
+
+## 11. 引用
+
+- 对应需求: [../requirements/04-加工硬化与晶粒演化需求.md](../requirements/04-加工硬化与晶粒演化需求.md)
+- 总体架构: [00-锻造系统总体技术架构.md](00-锻造系统总体技术架构.md)
+- 原始设计文档(归档): [../_archive/plans/2026-01-22-物理模拟架构细节.md](../_archive/plans/2026-01-22-物理模拟架构细节.md)
+- 相关专题(淬火系统): [05-淬火退火相变系统设计.md](05-淬火退火相变系统设计.md)
+- 相关专题(应力系统): [06-应力累积系统设计.md](06-应力累积系统设计.md)

docs/design/05-淬火退火相变系统设计.md

@@ -0,0 +1,470 @@
+# 淬火退火相变系统设计
+
+**项目**: BladeSmith
+**文档类型**: 技术设计(专题)
+**版本**: 2.0
+**最后更新**: 2026-08-11
+**状态**: 整合自原 `2026-01-23-淬火退火相变系统设计.md`
+
+> 本文档描述淬火退火相变系统的技术实现。需求见 [../requirements/05-淬火退火相变需求.md]。总体架构见 [00-锻造系统总体技术架构.md](00-锻造系统总体技术架构.md)。
+
+---
+
+## 1. 技术背景
+
+淬火退火相变系统模拟热处理过程中的相变行为，基于温度和冷却速率计算材料状态变化。系统通过温度区间判定、冷却速率计算、相态判定、硬度/脆性计算以及三阶段可视化，实现真实的热处理效果模拟。
+
+---
+
+## 2. 温度区间判定
+
+### 2.1 温度阈值定义
+
+**三个关键温度阈值**:
+
+| 阈值名称 | 温度范围 | 效果 |
+|---------|---------|------|
+| 临界下限 | < 800°C | 淬火无效，硬度无提升 |
+| 黄金区间 | 900-1100°C | 最佳淬火，硬度最大提升 |
+| 临界上限 | > 1200°C | 材料开裂风险，硬度提升低 |
+
+### 2.2 温度区间修正系数
+
+**TemperatureFactor 公式**:
+```
+TemperatureFactor =
+  3.0  (900°C ≤ T ≤ 1100°C, 黄金区间)
+  1.8  (800°C ≤ T < 900°C 或 1100°C < T ≤ 1200°C, 次优区间)
+  0.5  (T < 800°C, 温度过低)
+  0.2  (T > 1200°C, 温度过高且可能开裂)
+```
+
+---
+
+## 3. 冷却速率计算
+
+### 3.1 基础冷却速率公式
+
+```
+CoolingRate = |T_current - T_previous| / Δt
+```
+
+**参数说明**:
+- `T_current`: 当前帧体素温度
+- `T_previous`: Δt时间前的体素温度
+- `Δt`: 采样时间窗口（推荐0.5-1.0秒）
+
+### 3.2 滑动平均平滑
+
+**平滑公式**:
+```
+CoolingRate_smoothed = Σ(CoolingRate_i) / N  (i=1 to N, N=10)
+```
+
+使用过去10帧的平均值，消除瞬时波动。
+
+---
+
+## 4. 硬度映射系统
+
+### 4.1 硬度倍数公式
+
+**基于冷却速率的Sigmoid函数**:
+```
+HardnessMultiplier = BaseMultiplier × Sigmoid(CoolingRate)
+```
+
+其中:
+```
+Sigmoid(CoolingRate) = 1 + 2 / (1 + exp(-k × (CoolingRate - Threshold)))
+```
+
+**参数说明**:
+- `BaseMultiplier = 1.0`: 基准倍数
+- `Threshold = 35°C/s`: 中点冷却速率
+- `k = 0.1`: 曲线陡峭度（可调节）
+
+### 4.2 冷却速率分类
+
+| 冷却速率 | 范围 | 淬火方式 | 硬度表现 |
+|---------|------|---------|---------|
+| 快速冷却 | > 50°C/s | 水淬 | 硬度最高 |
+| 中速冷却 | 20-50°C/s | 油淬 | 硬度适中 |
+| 慢速冷却 | < 20°C/s | 空冷 | 硬度低（退火） |
+
+### 4.3 最终硬度计算
+
+**综合硬度公式**:
+```
+FinalHardness = InitialHardness × HardnessMultiplier × TemperatureFactor
+```
+
+### 4.4 硬度对形变的影响
+
+**形变阻力公式**:
+```
+HardnessFactor = 1.0 + (Hardness / MaxHardness) × 2.0
+```
+
+硬度越高，形变阻力越大（最大3倍阻力）。
+
+---
+
+## 5. 脆性计算系统
+
+### 5.1 脆性系数公式
+
+**基础脆性公式**:
+```
+Brittleness = BaseBrittleness + BrittlenessIncrease × CoolingRate_normalized
+```
+
+**参数说明**:
+- `BaseBrittleness = 0.1`: 基准脆性（未经淬火的钢）
+- `BrittlenessIncrease = 0.6`: 最大脆性增加量
+- `CoolingRate_normalized`: 归一化冷却速率
+
+**归一化公式**:
+```
+CoolingRate_normalized = clamp(CoolingRate / 80°C/s, 0, 1)
+```
+
+### 5.2 脆性对开裂的影响
+
+脆性系数与开裂概率直接相关，详见应力系统文档。
+
+### 5.3 脆性可视化阈值
+
+| 脆性范围 | 颜色 | 含义 |
+|---------|------|------|
+| < 0.3 | 绿色 | 韧性良好 |
+| 0.3 - 0.6 | 黄色 | 中度脆性 |
+| ≥ 0.6 | 红色 | 高度脆性 |
+
+---
+
+## 6. 内部应力公式
+
+### 6.1 应力分量
+
+**热应力分量（温度梯度）**:
+```
+StressThermal = ThermalStressCoeff × CoolingRate × (T_current - 20°C)
+```
+
+**参数说明**:
+- `ThermalStressCoeff = 0.005`: 热应力系数（可调）
+- `T_current`: 当前温度（°C）
+- 20°C: 环境温度
+
+**相变应力分量（马氏体体积膨胀）**:
+```
+StressPhase = PhaseStressCoeff × MartensiteFraction
+```
+
+**参数说明**:
+- `PhaseStressCoeff = 50.0`: 相变应力系数
+- `MartensiteFraction`: 马氏体转化比例
+
+**马氏体转化比例公式**:
+```
+MartensiteFraction = clamp(CoolingRate / 80°C/s, 0, 1)
+```
+
+### 6.2 总应力
+
+**综合应力公式**:
+```
+InternalStress = StressThermal + StressPhase
+```
+
+### 6.3 应力松弛机制
+
+**温度驱动的松弛公式**:
+```
+RelaxationFactor =
+  0.99 (T < 100°C, 常温慢松弛)
+  0.90 (200°C ≤ T < 400°C, 回火快松弛)
+  0.85 (T ≥ 400°C, 快速松弛)
+```
+
+**每帧更新**:
+```
+InternalStress = InternalStress × RelaxationFactor
+```
+
+---
+
+## 7. 相态系统
+
+### 7.1 相态枚举
+
+**EPhaseState 定义**:
+```cpp
+UENUM(BlueprintType)
+enum class EPhaseState : uint8
+{
+    Austenite = 0,  // 奥氏体（软）
+    Martensite = 1, // 马氏体（硬）
+    Pearlite = 2,   // 珠光体（中）
+    Cracked = 3     // 开裂（永久缺陷）
+};
+```
+
+### 7.2 相变判定规则
+
+**奥氏体→马氏体（淬火）**:
+```cpp
+if (Temperature > 800°C && CoolingRate > 20°C/s)
+{
+    PhaseState = EPhaseState::Martensite;
+    // 硬度和脆性提升
+}
+```
+
+**奥氏体→珠光体（退火）**:
+```cpp
+if (Temperature > 800°C && CoolingRate < 20°C/s)
+{
+    PhaseState = EPhaseState::Pearlite;
+    // 硬度适中，脆性低
+}
+```
+
+**重置相态**:
+```cpp
+if (Temperature > 800°C && TimeAbove800C > 5.0s)
+{
+    PhaseState = EPhaseState::Austenite;
+    // 材料回到软态，可重新淬火
+}
+```
+
+---
+
+## 8. 三阶段可视化设计
+
+### 8.1 阶段1：淬火过程（临时高辨识度）
+
+**顶点颜色强制覆盖**:
+```hlsl
+// R通道：温度的互补色
+R = 1.0 - Temperature / MaxTemperature
+
+// G通道：冷却速率（快=绿色，慢=红色）
+G = clamp(1.0 - CoolingRate / 80°C/s, 0, 1)
+
+// B通道：硬度倍数（暗色=软，亮色=硬）
+B = (Hardness - MinHardness) / (MaxHardness - MinHardness)
+
+// A通道：脆性（透明=韧性，不透明=脆）
+A = Brittleness
+```
+
+**材质临时参数**:
+- 自发光：启用，随温度变化
+- 金属度：暂时设为1.0（全金属感）
+- 粗糙度：暂时设为0.0（镜面反光）
+
+### 8.2 阶段2：冷却过渡（逐步恢复正常）
+
+**颜色过渡公式**（0.5-1.0秒）:
+```hlsl
+// 插值因子
+Alpha = (CurrentTime - QuenchStartTime) / TransitionDuration
+
+// R通道：温度回归到常温
+R = Lerp(TemporaryR, 0.0, Alpha)
+
+// G通道：恢复到打磨度
+G = Lerp(TemporaryG, PolishAmount, Alpha)
+
+// B通道：恢复到噪声种子
+B = Lerp(TemporaryB, NoiseSeed, Alpha)
+
+// A通道：保留相态标记
+A = PhaseState  // 0=奥氏体, 1=马氏体, 2=珠光体, 3=开裂
+```
+
+**材质过渡**:
+```hlsl
+// 自发光：指数衰减至0
+Emissive = TemporaryEmissive × exp(-Alpha × 5.0)
+
+// 金属度/粗糙度：恢复到打磨度驱动
+Metallic = 0.5 + PolishAmount × 0.5
+Roughness = 0.6 - PolishAmount × 0.4
+```
+
+### 8.3 阶段3：最终真实表现（永久保留）
+
+#### 8.3.1 回火色系统
+
+**回火色映射表**:
+
+| 回火温度 | 颜色 | RGB值 |
+|---------|------|-------|
+| 20-150°C（无回火） | 银灰色 | (0.8, 0.8, 0.8) |
+| 150-200°C | 淡黄色 | (0.95, 0.9, 0.7) |
+| 200-250°C | 金黄/麦秆色 | (0.95, 0.8, 0.4) |
+| 250-300°C | 棕色 | (0.7, 0.5, 0.3) |
+| 300-350°C | 紫色 | (0.6, 0.4, 0.7) |
+| 350-400°C | 蓝色 | (0.4, 0.5, 0.8) |
+| >400°C | 灰色 | (0.6, 0.6, 0.6) |
+
+实现方式: 根据最后回火温度设置顶点TemperColor属性。
+
+#### 8.3.2 氧化层表现
+
+**OxidationLevel 属性定义**（0-1）:
+
+| 冷却介质 | OxidationLevel | 视觉效果 |
+|---------|---------------|---------|
+| 水淬 | 0.8-1.0 | 深色氧化层 |
+| 油淬 | 0.4-0.6 | 浅棕色氧化层 |
+| 空冷 | 0.1-0.3 | 轻微氧化 |
+
+#### 8.3.3 最终材质组合
+
+**基础颜色公式**:
+```hlsl
+BaseColor = OxidationColor × (1 - PolishAmount) + TemperColor × PolishAmount
+```
+
+**参数说明**:
+- `OxidationColor`: 基于OxidationLevel的深灰色
+- `TemperColor`: 基于TemperColor的回火色
+- `PolishAmount`: 打磨度（打磨后露出金属底色）
+
+#### 8.3.4 相态的微妙影响
+
+虽然马氏体组织肉眼不可见，但通过细微色调表现:
+- 马氏体区域: 略微更冷色调（蓝灰倾向）
+- 珠光体区域: 略微更暖色调（棕灰倾向）
+- 奥氏体区域: 中性灰调
+
+---
+
+## 9. 实现架构
+
+### 9.1 GPU-CPU分工
+
+**GPU Compute Shader职责**:
+- 体素层面热力学计算
+- 温度场更新
+- 冷却速率计算（滑动平均）
+- 相态判定
+- 热应力计算
+
+**CPU职责**:
+- 顶点属性更新
+- 硬度/脆性公式应用
+- 相态采样到顶点
+- 三阶段可视化逻辑
+- 材质参数更新
+
+### 9.2 数据流
+
+```
+温度更新（GPU）
+  ↓
+冷却速率计算（GPU）
+  ↓
+相态判定（GPU）
+  ↓
+硬度/脆性公式（CPU）
+  ↓
+顶点属性更新（CPU）
+  ↓
+材质可视化（CPU）
+```
+
+### 9.3 性能优化
+
+**冷却速率计算**:
+- 使用Ping-Pong双缓冲避免冲突
+- 滑动平均使用历史缓冲，减少计算量
+
+**相态判定**:
+- 只在温度变化时重新计算
+- 使用标志位避免重复判定
+
+**可视化**:
+- 临时效果使用简单着色器
+- 最终效果复用现有材质系统
+
+---
+
+## 10. 参数配置
+
+### 10.1 可调参数（蓝图可配）
+
+| 参数名 | 默认值 | 范围 | 说明 |
+|-------|--------|------|------|
+| `CriticalTempLow` | 800.0°C | 600-900 | 临界下限 |
+| `CriticalTempHigh` | 1200.0°C | 1100-1400 | 临界上限 |
+| `GoldTempMin` | 900.0°C | 800-1000 | 黄金区间下限 |
+| `GoldTempMax` | 1100.0°C | 1000-1200 | 黄金区间上限 |
+| `CoolingRateThreshold` | 35.0°C/s | 20-50 | Sigmoid中点 |
+| `SigmoidK` | 0.1 | 0.05-0.2 | 曲线陡峭度 |
+| `ThermalStressCoeff` | 0.005 | 0.001-0.01 | 热应力系数 |
+| `PhaseStressCoeff` | 50.0 | 20-100 | 相变应力系数 |
+| `RelaxationTimeNormal` | 60.0s | 30-120 | 常温松弛时间 |
+| `RelaxationTimeTemper` | 10.0s | 5-20 | 回火松弛时间 |
+
+### 10.2 调试工具
+
+- 体素可视化：显示温度、冷却速率、相态
+- 顶点属性检查：硬度、脆性、应力值
+- 时间线：记录淬火-回火过程
+- 统计面板：覆盖率、平均硬度、最大脆性
+
+---
+
+## 11. 实施计划
+
+### 11.1 第一阶段：核心公式（1天）
+
+- 冷却速率计算
+- 硬度/脆性公式
+- 相态判定逻辑
+- 单元测试
+
+### 11.2 第二阶段：顶点属性（1天）
+
+- 顶点属性扩展
+- 公式应用到顶点
+- 材质参数更新
+- 基础可视化
+
+### 11.3 第三阶段：三阶段可视化（1-2天）
+
+- 淬火过程临时效果
+- 冷却过渡动画
+- 回火色系统
+- 氧化层表现
+- UI辅助工具
+
+### 11.4 第四阶段：集成测试（0.5天）
+
+- 完整流程测试
+- 性能Profiling
+- 参数调优
+- 文档更新
+
+---
+
+## 12. 已知限制
+
+1. **相变模型经验化**: 真实马氏体转变需要CCT曲线，当前用冷却速率阈值近似
+2. **各向同性假设**: 真实钢有晶粒取向，当前材料各向同性
+3. **简化热力学**: 忽略形变生热、磁性等二次效应
+
+---
+
+## 13. 引用
+
+- 对应需求: [../requirements/05-淬火退火相变需求.md](../requirements/05-淬火退火相变需求.md)
+- 总体架构: [00-锻造系统总体技术架构.md](00-锻造系统总体技术架构.md)
+- 原始设计文档(归档): [../_archive/plans/2026-01-23-淬火退火相变系统设计.md](../_archive/plans/2026-01-23-淬火退火相变系统设计.md)
+- 相关专题(物理模拟): [04-物理模拟-加工硬化与晶粒演化设计.md](04-物理模拟-加工硬化与晶粒演化设计.md)