第1章概述1
1.1材料科學(xué)與工程的基本要素1
1.2計(jì)算機(jī)的分類3
1.3計(jì)算機(jī)模擬在金屬材料熱處理方面的應(yīng)用5
1.3.1虛擬熱處理的基本概念6
1.3.2虛擬熱處理技術(shù)的國(guó)外研究現(xiàn)狀7
1.3.3虛擬熱處理技術(shù)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀8
1.3.4虛擬熱處理軟件包9
1.3.5淬火過(guò)程數(shù)值模擬的難點(diǎn)及存在的問(wèn)題11

第2章傳熱學(xué)的基本原理及傳熱學(xué)模型建立13
2.1傳熱學(xué)基本原理13
2.1.1溫度場(chǎng)13
2.1.2熱量傳遞的三種方式14
2.1.3熱量傳遞的基本定律15
2.1.4雙層玻璃的功效16
2.2熱傳導(dǎo)方程的建立19
2.2.1直角坐標(biāo)系下的熱傳導(dǎo)方程19
2.2.2柱坐標(biāo)系下的熱傳導(dǎo)方程21
2.2.3球坐標(biāo)系下的熱傳導(dǎo)方程23
2.3熱傳導(dǎo)問(wèn)題的邊界條件24
2.4熱傳導(dǎo)問(wèn)題的初始條件26
2.5溫度場(chǎng)計(jì)算模型的建立26
2.5.1軸對(duì)稱零件溫度場(chǎng)計(jì)算模型26
2.5.2長(zhǎng)方體溫度場(chǎng)計(jì)算的二維模型27
2.5.3長(zhǎng)方體溫度場(chǎng)計(jì)算的三維模型29

第3章溫度場(chǎng)計(jì)算的有限差分法31
3.1有限差分法的基本原理31
3.2有限差分的定義33
3.2.1差分33
3.2.2差商35
3.3基于Taylor展開式構(gòu)建差分方程35
3.4基于能量平衡法建立差分方程37
3.5邊界節(jié)點(diǎn)有限差分方程的建立40
3.5.1二維熱傳導(dǎo)邊界節(jié)點(diǎn)有限差分方程40
3.5.2三維熱傳導(dǎo)邊界節(jié)點(diǎn)有限差分方程42
3.6一維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的有限差分法46
3.6.1顯式差分格式47
3.6.2隱式差分格式47
3.6.3六點(diǎn)隱式差分格式48
3.7二維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的有限差分法49
3.8三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的有限差分法50
3.9有限差分方程的計(jì)算機(jī)解法51
3.9.1直接法51
3.9.2間接法53
3.10有限差分法求解偏微分方程55

第4章溫度場(chǎng)計(jì)算的有限元法63
4.1有限元法的基本思想63
4.2變分原理65
4.3熱傳導(dǎo)問(wèn)題的變分66
4.3.1第一類邊界條件二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的變分66
4.3.2第三類邊界條件二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的變分66
4.3.3具有內(nèi)熱源和第三類邊界條件的二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的變分66
4.3.4具有內(nèi)熱源和第三類邊界條件的軸對(duì)稱穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的變分67
4.3.5第三類邊界條件二維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的變分67
4.4求解區(qū)域溫度場(chǎng)的離散68
4.5有限元法的單元分析69
4.5.1單元類型69
4.5.2單元溫度的離散71
4.5.3三角形單元的變分計(jì)算75
4.5.4總體剛度矩陣的合成80
4.6二維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的有限單元法81
4.6.1三角形單元變分81
4.6.2時(shí)間域的離散83
4.7總體剛度矩陣的合成84
4.8二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)有限元分析實(shí)例87
4.9二維非線性熱傳導(dǎo)問(wèn)題的有限元方法91

第5章淬火過(guò)程組織轉(zhuǎn)變的數(shù)值模擬98
5.1相變曲線98
5.1.1連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線98
5.1.2等溫轉(zhuǎn)變曲線99
5.2相變過(guò)程的數(shù)學(xué)模型100
5.2.1擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變100
5.2.2非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變100
5.2.3馬氏體相變溫度的計(jì)算101
5.2.4貝氏體相變溫度的計(jì)算102
5.2.5相變潛熱的計(jì)算與處理102
5.3Scheil疊加法則103
5.4杠桿定律105
5.5淬火過(guò)程的相變塑性106
5.6淬火力學(xué)性能計(jì)算107
5.7組織場(chǎng)模擬流程框圖107
5.8端淬工藝模擬與實(shí)驗(yàn)109
5.8.1端淬工藝模擬109
5.8.2端淬實(shí)驗(yàn)111
5.8.3相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)和組織場(chǎng)的影響114

第6章再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大過(guò)程數(shù)值模擬116
6.1晶粒形核和長(zhǎng)大116
6.1.1金屬凝固過(guò)程116
6.1.2再結(jié)晶退火117
6.1.3金屬熱塑性變形過(guò)程118
6.2模擬方法119
6.2.1蒙特卡羅法120
6.2.2元胞自動(dòng)機(jī)法120
6.2.3相場(chǎng)法121
6.3基于MC法的晶粒長(zhǎng)大過(guò)程模擬122
6.3.1MC Ising模型122
6.3.2MC Potts模型122
6.3.3傳統(tǒng)MC Potts晶粒長(zhǎng)大模型123
6.3.4改進(jìn)的Exxon MC Potts晶粒長(zhǎng)大模型125
6.4基于MC法的靜態(tài)再結(jié)晶模擬128
6.4.1靜態(tài)再結(jié)晶基本模型128
6.4.2再結(jié)晶模擬方法130
6.5基于CA法的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模擬131

第7章快速加熱奧氏體化過(guò)程的數(shù)值模擬134
7.1疊加法則134
7.2相變機(jī)制137
7.3奧氏體化相變激活能139
7.3.1等溫分析法140
7.3.2等時(shí)分析法141
7.3.3Doyle方法142
7.3.4Murray-White方法143
7.4鋼的奧氏體化相變動(dòng)力學(xué)參數(shù)求解144
7.4.1實(shí)驗(yàn)方案144
7.4.2膨脹曲線的分析145
7.4.3相變激活能的計(jì)算147
7.4.4相變動(dòng)力學(xué)參數(shù)n與k0的計(jì)算150
7.4.5奧氏體化動(dòng)力學(xué)公式的驗(yàn)證154
7.5奧氏體化數(shù)值模擬實(shí)例156
7.6奧氏體體積分?jǐn)?shù)計(jì)算子程序157

第8章應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)有限元模擬162
8.1彈性力學(xué)原理162
8.1.1應(yīng)力分析162
8.1.2應(yīng)變分析163
8.1.3幾何方程163
8.1.4物理方程164
8.1.5平衡方程和運(yùn)動(dòng)方程164
8.1.6平面應(yīng)力問(wèn)題165
8.1.7平面應(yīng)變問(wèn)題166
8.2彈性力學(xué)有限元法166
8.2.1區(qū)域離散166
8.2.2應(yīng)變矩陣169
8.2.3有限元方程的建立170
8.2.4單元節(jié)點(diǎn)的等效載荷171
8.2.5總體合成172
8.2.6求解方法172
8.3彈性力學(xué)有限元法實(shí)例174
8.4熱彈塑性本構(gòu)關(guān)系179
8.4.1彈性區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系179
8.4.2塑性區(qū)的應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系180
8.4.3過(guò)渡區(qū)的彈塑性比例系數(shù)的計(jì)算182
8.5熱彈塑性問(wèn)題有限元求解技術(shù)183
8.5.1平衡方程及剛度矩陣183
8.5.2增量變剛陣方法184
8.5.3迭代收斂準(zhǔn)則185
8.6應(yīng)力/應(yīng)變計(jì)算流程框圖186
8.7模擬實(shí)例及驗(yàn)證187
8.7.1算例一：1080鋼水冷淬火187
8.7.2算例二：板的熱應(yīng)力問(wèn)題189

第9章基于有限元方法的滲碳工藝數(shù)值模擬191
9.1滲碳工藝的數(shù)學(xué)模型191
9.1.1碳濃度場(chǎng)的基本方程191
9.1.2初始條件191
9.1.3邊界條件192
9.2平面瞬態(tài)濃度場(chǎng)的有限元法192
9.3軸對(duì)稱瞬態(tài)濃度場(chǎng)的有限元法197
9.4有限差分法198
9.5有限元模擬程序的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證199
9.5.1圓柱體的實(shí)驗(yàn)與模擬200
9.5.2齒輪的實(shí)驗(yàn)與模擬200

附錄工程數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理205

參考文獻(xiàn)206