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| 編輯推薦： |
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《计算机在金属材料工程中的应用》基于Excel软件完成零件特定位置温度曲线的计算及组织转变的判定、渗碳工艺过程中零件相应位置的浓度场、弹性力学问题相应位置的应力、应变和变形等。在典型物理场量的计算过程中，不必安装任何有限元计算软件，也不必利用C语言或Fortran编程语言，因而可以大幅度节约课堂授课时间，也可以将学生从繁杂的程序调试过程中解放出来，使学生了解和掌握计算机知识在金属材料工程领域中的应用思路和方法，注重培养学生利用计算机解决实际问题的能力，培养和引导学生的创新意识。
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| 內容簡介： |
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《计算机在金属材料工程中的应用》系统地介绍计算机在金属材料工程中应用的基本理论、基本方法和相关应用。《计算机在金属材料工程中的应用》主要内容包括金属材料工程中导热微分方程的建立、数值模型的建立、基于有限差分方法的导热方程求解、基于有限元方法的导热微分方程求解、组织转变的求解、晶粒长大模型及数值模拟、奥氏体化相变动力学及数值模拟、弹性力学原理及数值模拟等。《计算机在金属材料工程中的应用》可作为金属材料工程、材料科学与工程等专业本科生及研究生的专业基础课程教材，也可供从事材料科学与工程研究的工程技术人员参考。
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| 關於作者： |
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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。“新世纪优秀人才”，青岛经济技术开发区“高层次紧缺人才”，山东省本科教育教学指导委员会委员。
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| 目錄：
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第1章概述1
1.1材料科学与工程的基本要素1
1.2计算机的分类3
1.3计算机模拟在金属材料热处理方面的应用5
1.3.1虚拟热处理的基本概念6
1.3.2虚拟热处理技术的国外研究现状7
1.3.3虚拟热处理技术的国内研究现状8
1.3.4虚拟热处理软件包9
1.3.5淬火过程数值模拟的难点及存在的问题11
第2章传热学的基本原理及传热学模型建立13
2.1传热学基本原理13
2.1.1温度场13
2.1.2热量传递的三种方式14
2.1.3热量传递的基本定律15
2.1.4双层玻璃的功效16
2.2热传导方程的建立19
2.2.1直角坐标系下的热传导方程19
2.2.2柱坐标系下的热传导方程21
2.2.3球坐标系下的热传导方程23
2.3热传导问题的边界条件24
2.4热传导问题的初始条件26
2.5温度场计算模型的建立26
2.5.1轴对称零件温度场计算模型26
2.5.2长方体温度场计算的二维模型27
2.5.3长方体温度场计算的三维模型29
第3章温度场计算的有限差分法31
3.1有限差分法的基本原理31
3.2有限差分的定义33
3.2.1差分33
3.2.2差商35
3.3基于Taylor展开式构建差分方程35
3.4基于能量平衡法建立差分方程37
3.5边界节点有限差分方程的建立40
3.5.1二维热传导边界节点有限差分方程40
3.5.2三维热传导边界节点有限差分方程42
3.6一维非稳态温度场的有限差分法46
3.6.1显式差分格式47
3.6.2隐式差分格式47
3.6.3六点隐式差分格式48
3.7二维非稳态温度场的有限差分法49
3.8三维非稳态温度场的有限差分法50
3.9有限差分方程的计算机解法51
3.9.1直接法51
3.9.2间接法53
3.10有限差分法求解偏微分方程55
第4章温度场计算的有限元法63
4.1有限元法的基本思想63
4.2变分原理65
4.3热传导问题的变分66
4.3.1第一类边界条件二维稳态热传导问题的变分66
4.3.2第三类边界条件二维稳态热传导问题的变分66
4.3.3具有内热源和第三类边界条件的二维稳态热传导问题的变分66
4.3.4具有内热源和第三类边界条件的轴对称稳态热传导问题的变分67
4.3.5第三类边界条件二维瞬态热传导问题的变分67
4.4求解区域温度场的离散68
4.5有限元法的单元分析69
4.5.1单元类型69
4.5.2单元温度的离散71
4.5.3三角形单元的变分计算75
4.5.4总体刚度矩阵的合成80
4.6二维非稳态热传导的有限单元法81
4.6.1三角形单元变分81
4.6.2时间域的离散83
4.7总体刚度矩阵的合成84
4.8二维稳态热传导有限元分析实例87
4.9二维非线性热传导问题的有限元方法91
第5章淬火过程组织转变的数值模拟98
5.1相变曲线98
5.1.1连续冷却转变曲线98
5.1.2等温转变曲线99
5.2相变过程的数学模型100
5.2.1扩散型转变100
5.2.2非扩散型转变100
5.2.3马氏体相变温度的计算101
5.2.4贝氏体相变温度的计算102
5.2.5相变潜热的计算与处理102
5.3Scheil叠加法则103
5.4杠杆定律105
5.5淬火过程的相变塑性106
5.6淬火力学性能计算107
5.7组织场模拟流程框图107
5.8端淬工艺模拟与实验109
5.8.1端淬工艺模拟109
5.8.2端淬实验111
5.8.3相变潜热对温度场和组织场的影响114
第6章再结晶及晶粒长大过程数值模拟116
6.1晶粒形核和长大116
6.1.1金属凝固过程116
6.1.2再结晶退火117
6.1.3金属热塑性变形过程118
6.2模拟方法119
6.2.1蒙特卡罗法120
6.2.2元胞自动机法120
6.2.3相场法121
6.3基于MC法的晶粒长大过程模拟122
6.3.1MC Ising模型122
6.3.2MC Potts模型122
6.3.3传统MC Potts晶粒长大模型123
6.3.4改进的Exxon MC Potts晶粒长大模型125
6.4基于MC法的静态再结晶模拟128
6.4.1静态再结晶基本模型128
6.4.2再结晶模拟方法130
6.5基于CA法的动态再结晶模拟131
第7章快速加热奥氏体化过程的数值模拟134
7.1叠加法则134
7.2相变机制137
7.3奥氏体化相变激活能139
7.3.1等温分析法140
7.3.2等时分析法141
7.3.3Doyle方法142
7.3.4Murray-White方法143
7.4钢的奥氏体化相变动力学参数求解144
7.4.1实验方案144
7.4.2膨胀曲线的分析145
7.4.3相变激活能的计算147
7.4.4相变动力学参数n与k0的计算150
7.4.5奥氏体化动力学公式的验证154
7.5奥氏体化数值模拟实例156
7.6奥氏体体积分数计算子程序157
第8章应力/应变场有限元模拟162
8.1弹性力学原理162
8.1.1应力分析162
8.1.2应变分析163
8.1.3几何方程163
8.1.4物理方程164
8.1.5平衡方程和运动方程164
8.1.6平面应力问题165
8.1.7平面应变问题166
8.2弹性力学有限元法166
8.2.1区域离散166
8.2.2应变矩阵169
8.2.3有限元方程的建立170
8.2.4单元节点的等效载荷171
8.2.5总体合成172
8.2.6求解方法172
8.3弹性力学有限元法实例174
8.4热弹塑性本构关系179
8.4.1弹性区的应力应变关系179
8.4.2塑性区的应力/应变关系180
8.4.3过渡区的弹塑性比例系数的计算182
8.5热弹塑性问题有限元求解技术183
8.5.1平衡方程及刚度矩阵183
8.5.2增量变刚阵方法184
8.5.3迭代收敛准则185
8.6应力/应变计算流程框图186
8.7模拟实例及验证187
8.7.1算例一：1080钢水冷淬火187
8.7.2算例二：板的热应力问题189
第9章基于有限元方法的渗碳工艺数值模拟191
9.1渗碳工艺的数学模型191
9.1.1碳浓度场的基本方程191
9.1.2初始条件191
9.1.3边界条件192
9.2平面瞬态浓度场的有限元法192
9.3轴对称瞬态浓度场的有限元法197
9.4有限差分法198
9.5有限元模拟程序的实验验证199
9.5.1圆柱体的实验与模拟200
9.5.2齿轮的实验与模拟200
附录工程数据的计算机处理205
参考文献206
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| 內容試閱：
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金属材料工程技术的发展趋势之一是利用虚拟的设计-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，从而最大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、热处理等金属材料热加工工艺设计当中，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年底制订的中国热处理技术与表层改性路线图中，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对金属材料热加工过程的温度、组织、相变、应力等物理量的数值模拟越来越重视。
“计算机在金属材料工程中的应用”是金属材料工程专业的必修课。课程的任务是使学生在先修的相关基础课程的基础上，了解计算机在金属材料工程方面的应用及未来发展方向。通过学习，掌握有限差分方法及有限元方法的基本概念及理论、温度场的有限差分方法、温度场的有限元方法、弹性力学问题的有限元方法、金属相变过程的有限元模拟方法。提高学生运用专业基础知识分析金属材料工程的传热、力学、相变等相关问题并建立相应数学模型的能力，并能应用计算机对金属材料工程的传热、力学、相变等复杂工程问题进行预测与模拟。本书是为开展该课程教学而编写的教材。
本书是山东科技大学金属材料工程省级一流本科专业建设成果教材。本书基于Excel软件完成零件特定位置温度曲线的计算及组织转变的判定、渗碳工艺过程中零件相应位置的浓度场、弹性力学问题相应位置的应力、应变和变形等。在典型物理场量的计算过程中，不必安装有限元计算软件，也不必利用C语言或Fortran编程语言，大幅度节约课堂授课时间，并将学生从繁杂的程序调试过程中解放出来，使学生初步了解和掌握计算机知识在金属材料工程领域中的应用思路和方法，注重培养学生利用计算机解决实际问题的能力，培养和引导学生的创新意识。工程数据的计算机处理方法可扫描附录中的二维码学习。
编写本书过程中，笔者参阅了国内外的相关教材、科技著作及论文，在此特向所有参考文献的作者表示衷心感谢！在本书的编写过程中，山东大学赵国群教授和李木森教授、大连理工大学张立文教授给予了悉心指导和帮助，山东大学和山东科技大学的老师也提供了诸多帮助，在此向他们表示深深的感谢！
由于计算机在金属材料工程领域中的应用非常广泛，且计算机软硬技术、数值模拟技术的发展日新月异，与金属材料工程相关的数值模拟新技术和新方法不断出现，加之编者水平有限、时间紧迫，书中难免有疏漏之处，敬请广大读者批评指正。
编者
2022年5月
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