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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。

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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。

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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)

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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。

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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）。

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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

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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

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7. 相态系统

7.1 相态枚举

EPhaseState 定义:

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）:

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）:

if (Temperature > 800°C && CoolingRate < 20°C/s)
{
    PhaseState = EPhaseState::Pearlite;
    // 硬度适中，脆性低
}

重置相态:

if (Temperature > 800°C && TimeAbove800C > 5.0s)
{
    PhaseState = EPhaseState::Austenite;
    // 材料回到软态，可重新淬火
}

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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:

// 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）:

// 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:

// 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:

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

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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

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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

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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

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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

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13. 引用

• 对应需求: ../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
• 原始设计文档(归档): ../_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