《熱處理工藝數值模擬技術》系統(tǒng)地闡述熱處理過程中溫度場、組織轉變、力學性能、應力/應變場、滲碳過程的濃度場等物理場量的數值模擬技術，并通過相應的實驗數據或者典型問題的解析數據對數值模擬的結果進行驗證，證明數值模擬技術的可靠性。針對在材料熱加工過程中的界面換熱問題，系統(tǒng)地介紹了基于優(yōu)化和數值模擬技術的反向熱傳導技術，以及各類界面換熱系數的求解技術。針對加熱過程中的材料奧氏體化，系統(tǒng)地介紹了奧氏體化相變動力學模型以及各個材料參數的求解方法，實現了材料奧氏體化過程的數值模擬。
適讀人群 ：本書可作為本科生和研究生的課堂教材,也可以作為企業(yè)技術人員的指導讀物。
《熱處理工藝數值模擬技術》基于工程實例介紹熱處理過程的計算機數值模擬技術。針對高校的研究人員和企業(yè)的工程技術人員對于感應淬火工藝數值模擬技術的需求，以精密滾珠絲杠的感應淬火工藝為例系統(tǒng)地闡述了感應淬火工藝數值模擬的關鍵技術，并把數值模擬的結果與絲杠生產過程上的結果進行了對比，驗證了所提方法的可靠性。 《熱處理工藝數值模擬技術》的感應淬火工藝模擬技術的內容受到了國家科技重大專項“高檔數控機床”中“關鍵功能部件的熱處理共性技術的研究”項目的資助。
國民經濟和現代科學技術的快速發(fā)展，對我國機械制造業(yè)提出了精密、高效、經濟、清潔、產業(yè)化等方面的要求，對熱加工零件的形狀、尺寸精度和力學性能等方面的要求也越來越高。熱處理工藝作為主要的熱加工工藝，在控制熱加工零件的形狀、尺寸精度和力學性能等方面發(fā)揮著重要作用。對于大型、精密、復雜的熱加工零件，僅依靠經驗和傳統(tǒng)的理論知識完成其熱處理工藝設計有較大難度。熱處理工藝是改善材料性能的重要手段，但熱處理變形和殘余應力一直困擾著工程技術人員，是制約機械零件、工裝模具制造精度及使用壽命的難題之一。
熱處理技術的發(fā)展更傾向于利用虛擬的設計-制造-驗證一體化環(huán)境， 將真實的設計、制造、材料、驗證、應用乃至維修和全生命周期管理等諸多環(huán)節(jié)統(tǒng)一起來，從而最大限度地縮短新產品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本， 提高產品的市場競爭力。在這個過程中，計算機輔助工程（CAE）技術已成為創(chuàng)新設計、數字化設計和材料制造技術的核心之一。CAE已被廣泛應用至鍛造、擠壓、熱沖壓、軋制、熱處理等熱加工工藝的設計，并取得了較好的效果。美國在2010年發(fā)布的新版熱處理技術路線圖中將虛擬熱處理作為重點發(fā)展方向。中國工程院在2013年年底制定的中國熱處理技術與表層改性路線圖，也將虛擬熱處理作為我國熱處理領域的十二個重點研究內容之一。目前，高等學校的師生和企業(yè)的技術人員越來越重視材料熱加工過程中的溫度、組織、相變、應力等物理量的數值模擬。
編寫一本包含一定的理論知識和工程背景的熱處理數值模擬方面的專著， 是作者多年的夢想。本書的內容多為作者近年來發(fā)表的一些研究結果、學習心得以及指導研究生的成果，并吸收了國內外同行的研究成果。本書包括溫度、組織轉變、應力/應變、濃度場、晶粒長大、多物理場耦合分析等方面的數值模擬技術，可作為高等學校的教材，也可以作為企業(yè)技術人員的指導讀物。在本書的撰寫過程中，山東大學博士生導師趙國群教授給了我們悉心的指導， 山東大學和山東科技大學的其他老師也給了我們不少幫助，在此向他們表示深深的感謝。
由于計算機在熱處理領域中的應用非常廣泛，且計算機軟硬件技術、數值模擬技術的發(fā)展日新月異，熱處理數值模擬的新技術和新方法不斷出現， 加之編者學識有限，書中難免有不當之處，敬請讀者批評指正。
著者
2017年5月
李輝平，山東科技大學，教授，承擔了本科生《大學計算機基礎》《模具CAD/CAM》《材料成型計算機應用》《材料成型原理及工藝》《壓力加工工藝及設備》《計算機在金屬材料工程中的應用》等課程的教學任務；指導多屆本科生完成了生產實習、畢業(yè)設計等教學環(huán)節(jié)；每年面向本科生和研究生開設技能培訓方面的暑期學校課程。獲得山東省大學青年教師講課比賽、山東科技大學材料學院院士獎教金等獎項。
第1章 概述 1
1.1 引言 1
1.2 虛擬熱處理的基本概念 2
1.3 淬火工藝模擬技術的國內外研究現狀 3
1.3.1 國外淬火工藝模擬研究現狀 3
1.3.2 國內淬火工藝模擬研究現狀 3
1.3.3 國內外的熱處理軟件包 4
1.3.4 熱處理過程的優(yōu)化 6
1.4 淬火過程數值模擬的難點及存在的問題 7
第2章 淬火工藝溫度場模擬技術 9
2.1 引言 9
2.2 淬火過程導熱偏微分方程 10
2.2.1 溫度場控制方程 10
2.2.2 初始條件 10
2.2.3 邊界條件 11
2.3 瞬態(tài)溫度場的變分 12
2.3.1 平面瞬態(tài)溫度場的變分 12
2.3.2 軸對稱瞬態(tài)溫度場的變分 18
2.4 瞬態(tài)溫度場的求解 19
2.4.1 差分方法 19
2.4.2 系數矩陣的存儲方法 20
2.4.3 溫度場數值振蕩問題 21
2.5 熱物性參數的選擇 28
2.6 溫度場計算流程框圖 28
2.7 溫度場有限元模擬程序驗證 30
2.7.1 變熱導率定常內熱的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導問題 30
2.7.2 內熱二維瞬態(tài)熱傳導問題 31
本章小結 33
第3章 淬火工藝相變過程模擬技術 34
3.1 引言 34
3.2 TTT 曲線 35
3.3 相變過程的數學模型 35
3.3.1 擴散型轉變 35
3.3.2 非擴散型轉變 36
3.3.3 馬氏體相變溫度的計算 36
3.3.4 貝氏體相變溫度的計算 37
3.3.5 相變潛熱的計算與處理 37
3.4 Scheil疊加法則 37
3.5 杠桿定律 39
3.6 淬火過程的相變塑性 40
3.7 淬火力學性能計算 41
3.8 組織場模擬流程框圖 41
3.9 P20端淬工藝模擬與實驗研究 43
3.9.1 端淬工藝模擬 43
3.9.2 端淬實驗研究 44
3.9.3 相變潛熱對溫度場和組織場的影響 52
本章小結 53
第4章 淬火過程冷卻曲線的采集及介質傳熱系數的計算 55
4.1 引言 55
4.2 計算模型及計算方法 56
4.2.1 計算模型的建立 56
4.2.2 傳熱系數優(yōu)化區(qū)間的確定 56
4.2.3 傳熱系數最佳值的確定 58
4.2.4 黃金分割法迭代次數的分析 60
4.3 傳熱系數的求解 61
4.4 實驗裝置 65
4.4.1 實驗工裝 65
4.4.2 熱電偶 66
4.4.3 熱電偶調理板 68
4.4.4 數據采集卡 68
4.5 冷卻曲線的采集及傳熱系數計算 71
本章小結 76
第5章 淬火過程應力/應變場的模擬技術 78
5.1 引言 78
5.2 淬火過程力學基本方程 79
5.3 熱彈塑性本構關系 80
5.3.1 彈性區(qū)的應力應變關系 80
5.3.2 塑性區(qū)的應力應變關系 82
5.3.3 過渡區(qū)的彈塑性比例系數的計算 84
5.4 應力/應變場有限元基本理論與技術 86
5.4.1 單元和形函數 86
5.4.2 單元應變速率矩陣 87
5.4.3 等效應變速率矩陣 89
5.4.4 邊界條件 89
5.5 熱彈塑性問題求解 89
5.5.1 變分方程及剛度矩陣 89
5.5.2 增量變剛陣方法 90
5.5.3 迭代收斂準則 92
5.6 預應力淬火過程的應力、應變計算 92
5.7 應力、應變計算流程圖 94
5.8 應力/應變計算程序檢驗 95
本章小結 98
第6章 淬火過程溫度、相變和應力的耦合分析 100
6.1 引言 100
6.2 耦合分析程序流程框圖 102
6.3 耦合分析有限元模型 103
6.4 溫度、相變及應力應變耦合分析 104
6.4.1 溫度場的模擬 104
6.4.2 組織場的模擬 106
6.4.3 應力/應變場模擬 108
6.5 彈塑性區(qū)域的演變 115
6.6 淬火零件的變形 117
本章小結 119
第7章 滲碳工藝有限元模擬關鍵技術研究 121
7.1 引言 121
7.2 滲碳工藝有限元模擬 123
7.2.1 基本條件 123
7.2.2 瞬態(tài)濃度場的變分 123
7.2.3 有限差分法 130
7.2.4 濃度場的數值振蕩問題 131
7.3 有限元模擬程序的實驗驗證 132
7.3.1 圓柱體的實驗與模擬 132
7.3.2 齒輪的實驗與模擬 133
第8章 基于MC方法的組織模擬關鍵技術研究 139
8.1 晶粒長大MC Potts模型模擬關鍵技術 139
8.1.1 傳統(tǒng)晶粒長大模型關鍵技術 139
8.1.2 對傳統(tǒng)晶粒長大Exxon MC Potts模型的改進 141
8.1.3 新模型模擬計算機算法流程 149
8.2 再結晶MC Potts新模型模擬關鍵技術 150
8.2.1 傳統(tǒng)再結晶模型關鍵技術 150
8.2.2 再結晶新模型模擬流程 151
本章小結 152
第9章 氣體淬火過程工藝參數的優(yōu)化 153
9.1 引言 153
9.2 曲面響應模型 153
9.3 回歸模型的方差分析 154
9.4 逐步回歸分析 156
9.5 氣體淬火工藝及工藝參數評估 157
9.5.1 氣體淬火技術 157
9.5.2 有限元模型 158
9.5.3 目標函數的建立 158
9.5.4 工藝參數評估 159
9.6 階段性傳熱系數模型 161
9.6.1 設計變量的確定 161
9.6.2 Box-Behnken實驗設計 162
9.6.3 響應曲面的擬合 164
9.6.4 優(yōu)化目標函數的建立 166
9.6.5 工藝參數的優(yōu)化結果 166
9.7 區(qū)域性傳熱系數模型 170
9.7.1 設計變量的確定 170
9.7.2 中心復合實驗設計 171
9.7.3 響應曲面的擬合 173
9.7.4 優(yōu)化目標函數的建立 175
9.7.5 工藝參數的優(yōu)化結果 176
本章小結 179
參考文獻 182
書單推薦
