热处理工艺数值模拟技术

《热处理工艺数值模拟技术》基于工程实例介绍热处理过程的计算机数值模拟技术。针对高校的研究人员和企业的工程技术人员对于感应淬火工艺数值模拟技术的需求，以精密滚珠丝杠的感应淬火工艺为例系统地阐述了感应淬火工艺数值模拟的关键技术，并把数值模拟的结果与丝杠生产过程上的结果进行了对比，验证了所提方法的可靠性。 《热处理工艺数值模拟技术》的感应淬火工艺模拟技术的内容受到了国家科技重大专项“高档数控机床”中“关键功能部件的热处理共性技术的研究”项目的资助。 

《热处理工艺数值模拟技术》系统地阐述热处理过程中温度场、组织转变、力学性能、应力/应变场、渗碳过程的浓度场等物理场量的数值模拟技术，并通过相应的实验数据或者典型问题的解析数据对数值模拟的结果进行验证，证明数值模拟技术的可靠性。针对在材料热加工过程中的界面换热问题，系统地介绍了基于*化和数值模拟技术的反向热传导技术，以及各类界面换热系数的求解技术。针对加热过程中的材料奥氏体化，系统地介绍了奥氏体化相变动力学模型以及各个材料参数的求解方法，实现了材料奥氏体化过程的数值模拟。

李辉平，山东科技大学，教授，承担了本科生《大学计算机基础》《模具CAD/CAM》《材料成型计算机应用》《材料成型原理及工艺》《压力加工工艺及设备》《计算机在金属材料工程中的应用》等课程的教学任务；指导多届本科生完成了生产实习、毕业设计等教学环节；每年面向本科生和研究生开设技能培训方面的暑期学校课程。获得山东省大学青年教师讲课比赛、山东科技大学材料学院院士奖教金等奖项。

第1章 概述 11.1　引言 11.2　虚拟热处理的基本概念 21.3　淬火工艺模拟技术的国内外研究现状 31.3.1　国外淬火工艺模拟研究现状 31.3.2　国内淬火工艺模拟研究现状 31.3.3　国内外的热处理软件包 41.3.4　热处理过程的优化 61.4　淬火过程数值模拟的难点及存在的问题 7第2章　淬火工艺温度场模拟技术 92.1　引言 92.2　淬火过程导热偏微分方程 102.2.1　温度场控制方程 102.2.2　初始条件 102.2.3　边界条件 112.3　瞬态温度场的变分 122.3.1　平面瞬态温度场的变分 122.3.2　轴对称瞬态温度场的变分 182.4　瞬态温度场的求解 192.4.1　差分方法 192.4.2　系数矩阵的存储方法 202.4.3　温度场数值振荡问题 212.5　热物性参数的选择 282.6　温度场计算流程框图 282.7　温度场有限元模拟程序验证 302.7.1　变热导率定常内热的一维稳态热传导问题 302.7.2　无内热二维瞬态热传导问题 31本章小结 33第3章　淬火工艺相变过程模拟技术 343.1　引言 343.2　TTT 曲线 353.3　相变过程的数学模型 353.3.1　扩散型转变 353.3.2　非扩散型转变 363.3.3　马氏体相变温度的计算 363.3.4　贝氏体相变温度的计算 373.3.5　相变潜热的计算与处理 373.4　Scheil叠加法则 373.5　杠杆定律 393.6　淬火过程的相变塑性 403.7　淬火力学性能计算 413.8　组织场模拟流程框图 413.9　P20端淬工艺模拟与实验研究 433.9.1　端淬工艺模拟 433.9.2　端淬实验研究 443.9.3　相变潜热对温度场和组织场的影响 52本章小结 53第4章　淬火过程冷却曲线的采集及介质传热系数的计算 554.1　引言 554.2　计算模型及计算方法 564.2.1　计算模型的建立 564.2.2　传热系数优化区间的确定 564.2.3　传热系数值的确定 584.2.4　黄金分割法迭代次数的分析 604.3　传热系数的求解 614.4　实验装置 654.4.1　实验工装 654.4.2　热电偶 664.4.3　热电偶调理板 684.4.4　数据采集卡 684.5　冷却曲线的采集及传热系数计算 71本章小结 76第5章　淬火过程应力/应变场的模拟技术 785.1　引言 785.2　淬火过程力学基本方程 795.3　热弹塑性本构关系 805.3.1　弹性区的应力应变关系 805.3.2　塑性区的应力应变关系 825.3.3　过渡区的弹塑性比例系数的计算 845.4　应力/应变场有限元基本理论与技术 865.4.1　单元和形函数 865.4.2　单元应变速率矩阵 875.4.3　等效应变速率矩阵 895.4.4　边界条件 895.5　热弹塑性问题求解 895.5.1　变分方程及刚度矩阵 895.5.2　增量变刚阵方法 905.5.3　迭代收敛准则 925.6　预应力淬火过程的应力、应变计算 925.7　应力、应变计算流程图 945.8　应力/应变计算程序检验 95本章小结 98第6章　淬火过程温度、相变和应力的耦合分析 1006.1　引言 1006.2　耦合分析程序流程框图 1026.3　耦合分析有限元模型 1036.4　温度、相变及应力应变耦合分析 1046.4.1　温度场的模拟 1046.4.2　组织场的模拟 1066.4.3　应力/应变场模拟 1086.5　弹塑性区域的演变 1156.6　淬火零件的变形 117本章小结 119第7章　渗碳工艺有限元模拟关键技术研究 1217.1　引言 1217.2　渗碳工艺有限元模拟 1237.2.1　基本条件 1237.2.2　瞬态浓度场的变分 1237.2.3　有限差分法 1307.2.4　浓度场的数值振荡问题 1317.3　有限元模拟程序的实验验证 1327.3.1　圆柱体的实验与模拟 1327.3.2　齿轮的实验与模拟 133第8章　基于MC方法的组织模拟关键技术研究 1398.1　晶粒长大MC Potts模型模拟关键技术 1398.1.1　传统晶粒长大模型关键技术 1398.1.2　对传统晶粒长大Exxon MC Potts模型的改进 1418.1.3　新模型模拟计算机算法流程 1498.2　再结晶MC Potts新模型模拟关键技术 1508.2.1　传统再结晶模型关键技术 1508.2.2　再结晶新模型模拟流程 151本章小结 152第9章　气体淬火过程工艺参数的优化 1539.1　引言 1539.2　曲面响应模型 1539.3　回归模型的方差分析 1549.4　逐步回归分析 1569.5　气体淬火工艺及工艺参数评估 1579.5.1　气体淬火技术 1579.5.2　有限元模型 1589.5.3　目标函数的建立 1589.5.4　工艺参数评估 1599.6　阶段性传热系数模型 1619.6.1　设计变量的确定 1619.6.2　Box-Behnken实验设计 1629.6.3　响应曲面的拟合 1649.6.4　优化目标函数的建立 1669.6.5　工艺参数的优化结果 1669.7　区域性传热系数模型 1709.7.1　设计变量的确定 1709.7.2　中心复合实验设计 1719.7.3　响应曲面的拟合 1739.7.4　优化目标函数的建立 1759.7.5　工艺参数的优化结果 176本章小结 179参考文献 182

国民经济和现代科学技术的快速发展，对我国机械制造业提出了精密、高效、经济、清洁、产业化等方面的要求，对热加工零件的形状、尺寸精度和力学性能等方面的要求也越来越高。热处理工艺作为主要的热加工工艺，在控制热加工零件的形状、尺寸精度和力学性能等方面发挥着重要作用。对于大型、精密、复杂的热加工零件，仅依靠经验和传统的理论知识完成其热处理工艺设计有较大难度。热处理工艺是改善材料性能的重要手段，但热处理变形和残余应力一直困扰着工程技术人员，是制约机械零件、工装模具制造精度及使用寿命的难题之一。热处理技术的发展更倾向于利用虚拟的设计-制造-验证一体化环境， 将真实的设计、制造、材料、验证、应用乃至维修和全生命周期管理等诸多环节统一起来，从而限度地缩短新产品研发周期，降低研发成本， 提高产品的市场竞争力。在这个过程中，计算机辅助工程（CAE）技术已成为创新设计、数字化设计和材料制造技术的核心之一。CAE已被广泛应用至锻造、挤压、热冲压、轧制、热处理等热加工工艺的设计，并取得了较好的效果。美国在2010年发布的新版热处理技术路线图中将虚拟热处理作为重点发展方向。中国工程院在2013年年底制定的中国热处理技术与表层改性路线图，也将虚拟热处理作为我国热处理领域的十二个重点研究内容之一。目前，高等学校的师生和企业的技术人员越来越重视材料热加工过程中的温度、组织、相变、应力等物理量的数值模拟。编写一本包含一定的理论知识和工程背景的热处理数值模拟方面的专著， 是作者多年的梦想。本书的内容多为作者近年来发表的一些研究结果、学习心得以及指导研究生的成果，并吸收了国内外同行的研究成果。本书包括温度、组织转变、应力/应变、浓度场、晶粒长大、多物理场耦合分析等方面的数值模拟技术，可作为高等学校的教材，也可以作为企业技术人员的指导读物。在本书的撰写过程中，山东大学博士生导师赵国群教授给了我们悉心的指导， 山东大学和山东科技大学的其他老师也给了我们不少帮助，在此向他们表示深深的感谢。由于计算机在热处理领域中的应用非常广泛，且计算机软硬件技术、数值模拟技术的发展日新月异，热处理数值模拟的新技术和新方法不断出现， 加之编者学识有限，书中难免有不当之处，敬请读者批评指正。著者2017年5月