國(guó)民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)我國(guó)機(jī)械制造業(yè)提出了精密、高效、經(jīng)濟(jì)、清潔、產(chǎn)業(yè)化等方面的要求，對(duì)熱加工零件的形狀、尺寸精度和力學(xué)性能等方面的要求也越來(lái)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(xué)性能等方面發(fā)揮著重要作用。對(duì)于大型、精密、復(fù)雜的熱加工零件，僅依靠經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)的理論知識(shí)完成其熱處理工藝設(shè)計(jì)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(yīng)力一直困擾著工程技術(shù)人員，是制約機(jī)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(shù)的發(fā)展更傾向于利用虛擬的設(shè)計(jì)-制造-驗(yàn)證一體化環(huán)境， 將真實(shí)的設(shè)計(jì)、制造、材料、驗(yàn)證、應(yīng)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(lái)，從而最大限度地縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本， 提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在這個(gè)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)已成為創(chuàng)新設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)和材料制造技術(shù)的核心之一。CAE已被廣泛應(yīng)用至鍛造、擠壓、熱沖壓、軋制、熱處理等熱加工工藝的設(shè)計(jì)，并取得了較好的效果。美國(guó)在2010年發(fā)布的新版熱處理技術(shù)路線圖中將虛擬熱處理作為重點(diǎn)發(fā)展方向。中國(guó)工程院在2013年年底制定的中國(guó)熱處理技術(shù)與表層改性路線圖，也將虛擬熱處理作為我國(guó)熱處理領(lǐng)域的十二個(gè)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。目前，高等學(xué)校的師生和企業(yè)的技術(shù)人員越來(lái)越重視材料熱加工過(guò)程中的溫度、組織、相變、應(yīng)力等物理量的數(shù)值模擬。
編寫(xiě)一本包含一定的理論知識(shí)和工程背景的熱處理數(shù)值模擬方面的專(zhuān)著， 是作者多年的夢(mèng)想。本書(shū)的內(nèi)容多為作者近年來(lái)發(fā)表的一些研究結(jié)果、學(xué)習(xí)心得以及指導(dǎo)研究生的成果，并吸收了國(guó)內(nèi)外同行的研究成果。本書(shū)包括溫度、組織轉(zhuǎn)變、應(yīng)力/應(yīng)變、濃度場(chǎng)、晶粒長(zhǎng)大、多物理場(chǎng)耦合分析等方面的數(shù)值模擬技術(shù)，可作為高等學(xué)校的教材，也可以作為企業(yè)技術(shù)人員的指導(dǎo)讀物。在本書(shū)的撰寫(xiě)過(guò)程中，山東大學(xué)博士生導(dǎo)師趙國(guó)群教授給了我們悉心的指導(dǎo)， 山東大學(xué)和山東科技大學(xué)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(jì)算機(jī)在熱處理領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，且計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展日新月異，熱處理數(shù)值模擬的新技術(shù)和新方法不斷出現(xiàn)， 加之編者學(xué)識(shí)有限，書(shū)中難免有不當(dāng)之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
著者
2017年5月
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(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.3.1 國(guó)外淬火工藝模擬研究現(xiàn)狀 3
1.3.2 國(guó)內(nèi)淬火工藝模擬研究現(xiàn)狀 3
1.3.3 國(guó)內(nèi)外的熱處理軟件包 4
1.3.4 熱處理過(guò)程的優(yōu)化 6
1.4 淬火過(guò)程數(shù)值模擬的難點(diǎn)及存在的問(wèn)題 7
第2章 淬火工藝溫度場(chǎng)模擬技術(shù) 9
2.1 引言 9
2.2 淬火過(guò)程導(dǎo)熱偏微分方程 10
2.2.1 溫度場(chǎng)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(chǎng)的變分 12
2.3.1 平面瞬態(tài)溫度場(chǎng)的變分 12
2.3.2 軸對(duì)稱(chēng)瞬態(tài)溫度場(chǎng)的變分 18
2.4 瞬態(tài)溫度場(chǎng)的求解 19
2.4.1 差分方法 19
2.4.2 系數(shù)矩陣的存儲(chǔ)方法 20
2.4.3 溫度場(chǎng)數(shù)值振蕩問(wèn)題 21
2.5 熱物性參數(shù)的選擇 28
2.6 溫度場(chǎng)計(jì)算流程框圖 28
2.7 溫度場(chǎng)有限元模擬程序驗(yàn)證 30
2.7.1 變熱導(dǎo)率定常內(nèi)熱的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題 30
2.7.2 內(nèi)熱二維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題 31
本章小結(jié) 33
第3章 淬火工藝相變過(guò)程模擬技術(shù) 34
3.1 引言 34
3.2 TTT 曲線 35
3.3 相變過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 35
3.3.1 擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變 35
3.3.2 非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變 36
3.3.3 馬氏體相變溫度的計(jì)算 36
3.3.4 貝氏體相變溫度的計(jì)算 37
3.3.5 相變潛熱的計(jì)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(guò)程的相變塑性 40
3.7 淬火力學(xué)性能計(jì)算 41
3.8 組織場(chǎng)模擬流程框圖 41
3.9 P20端淬工藝模擬與實(shí)驗(yàn)研究 43
3.9.1 端淬工藝模擬 43
3.9.2 端淬實(shí)驗(yàn)研究 44
3.9.3 相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)和組織場(chǎng)的影響 52
本章小結(jié) 53
第4章 淬火過(guò)程冷卻曲線的采集及介質(zhì)傳熱系數(shù)的計(jì)算 55
4.1 引言 55
4.2 計(jì)算模型及計(jì)算方法 56
4.2.1 計(jì)算模型的建立 56
4.2.2 傳熱系數(shù)優(yōu)化區(qū)間的確定 56
4.2.3 傳熱系數(shù)最佳值的確定 58
4.2.4 黃金分割法迭代次數(shù)的分析 60
4.3 傳熱系數(shù)的求解 61
4.4 實(shí)驗(yàn)裝置 65
4.4.1 實(shí)驗(yàn)工裝 65
4.4.2 熱電偶 66
4.4.3 熱電偶調(diào)理板 68
4.4.4 數(shù)據(jù)采集卡 68
4.5 冷卻曲線的采集及傳熱系數(shù)計(jì)算 71
本章小結(jié) 76
第5章 淬火過(guò)程應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)的模擬技術(shù) 78
5.1 引言 78
5.2 淬火過(guò)程力學(xué)基本方程 79
5.3 熱彈塑性本構(gòu)關(guān)系 80
5.3.1 彈性區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 80
5.3.2 塑性區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 82
5.3.3 過(guò)渡區(qū)的彈塑性比例系數(shù)的計(jì)算 84
5.4 應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)有限元基本理論與技術(shù) 86
5.4.1 單元和形函數(shù) 86
5.4.2 單元應(yīng)變速率矩陣 87
5.4.3 等效應(yīng)變速率矩陣 89
5.4.4 邊界條件 89
5.5 熱彈塑性問(wèn)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(zhǔn)則 92
5.6 預(yù)應(yīng)力淬火過(guò)程的應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算 92
5.7 應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算流程圖 94
5.8 應(yīng)力/應(yīng)變計(jì)算程序檢驗(yàn) 95
本章小結(jié) 98
第6章 淬火過(guò)程溫度、相變和應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變耦合分析 104
6.4.1 溫度場(chǎng)的模擬 104
6.4.2 組織場(chǎng)的模擬 106
6.4.3 應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)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(jié) 119
第7章 滲碳工藝有限元模擬關(guān)鍵技術(shù)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(chǎng)的變分 123
7.2.3 有限差分法 130
7.2.4 濃度場(chǎng)的數(shù)值振蕩問(wèn)題 131
7.3 有限元模擬程序的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 132
7.3.1 圓柱體的實(shí)驗(yàn)與模擬 132
7.3.2 齒輪的實(shí)驗(yàn)與模擬 133
第8章 基于MC方法的組織模擬關(guān)鍵技術(shù)研究 139
8.1 晶粒長(zhǎng)大MC Potts模型模擬關(guān)鍵技術(shù) 139
8.1.1 傳統(tǒng)晶粒長(zhǎng)大模型關(guān)鍵技術(shù) 139
8.1.2 對(duì)傳統(tǒng)晶粒長(zhǎng)大Exxon MC Potts模型的改進(jìn) 141
8.1.3 新模型模擬計(jì)算機(jī)算法流程 149
8.2 再結(jié)晶MC Potts新模型模擬關(guān)鍵技術(shù) 150
8.2.1 傳統(tǒng)再結(jié)晶模型關(guān)鍵技術(shù) 150
8.2.2 再結(jié)晶新模型模擬流程 151
本章小結(jié) 152
第9章 氣體淬火過(guò)程工藝參數(shù)的優(yōu)化 153
9.1 引言 153
9.2 曲面響應(yīng)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(shù)評(píng)估 157
9.5.1 氣體淬火技術(shù) 157
9.5.2 有限元模型 158
9.5.3 目標(biāo)函數(shù)的建立 158
9.5.4 工藝參數(shù)評(píng)估 159
9.6 階段性傳熱系數(shù)模型 161
9.6.1 設(shè)計(jì)變量的確定 161
9.6.2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 162
9.6.3 響應(yīng)曲面的擬合 164
9.6.4 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的建立 166
9.6.5 工藝參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果 166
9.7 區(qū)域性傳熱系數(shù)模型 170
9.7.1 設(shè)計(jì)變量的確定 170
9.7.2 中心復(fù)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 171
9.7.3 響應(yīng)曲面的擬合 173
9.7.4 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的建立 175
9.7.5 工藝參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果 176
本章小結(jié) 179
參考文獻(xiàn) 182
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