《金屬材料製備工藝的計算機模擬》主要介紹金屬材料製備工藝的計算機模擬。全書共七章，主要內容包括概論、液態金屬精煉過程的計算機模擬、鑄造工藝的計算機模擬、凝固過程微觀組織模擬、熱軋帶鋼組織性能預報、奧氏體鐵素體轉變的計算機模擬和塑性成形工藝模擬。 《金屬材料製備工藝的計算機模擬》可供冶金、機械、材料、工藝模擬等相關專業的科技人員、工程技術人員及本科生、研究生閱讀與參考。
基本介紹
- 書名：金屬材料製備工藝的計算機模擬
- 出版社：科學出版社
- 頁數：283頁
- 開本：16
- 作者：李依依 李殿中
- 出版日期：2006年6月1日
- 語種：簡體中文
- ISBN：7030165985
內容簡介,圖書目錄,序言,
內容簡介
《金屬材料製備工藝的計算機模擬》由科學出版社出版。
圖書目錄
第一章 概論1
1.1 材料製備工藝的基本概念和實例1
1.1.1 材料製備工藝的基本概念1
1.1.2 鋼鐵生產工藝流程2
1.1.3 我國鋼鐵工業的現狀7
1.2 材料製備工藝模擬的基本知識8
1.2.1 材料模擬的基本概念8
1.2.2 金屬材料製備工藝的計算機模擬14
1.2.3 工藝模擬的判據15
1.3 材料製備工藝模擬常用軟體16
1.3.1 鑄造工藝模擬軟體16
1.3.2 熱軋帶鋼組織性能預報軟體18
1.3.3 塑性成形工藝模擬軟體20
參考文獻22
第二章 液態金屬精煉過程的計算機模擬23
2.1 金屬熔體傳輸過程的基本方程與計算方法23
2.1.1 描述金屬熔體傳輸過程的基本方程23
2.1.2 冶金反應器內金屬熔體流場的計算方法27
2.2 底吹氬精煉鋼包內三維流動的計算機模擬36
2.2.1 控制方程36
2.2.2 吹氬精煉鋼包內氣液兩相區的描述36
2.2.3 三維數學模型的驗證38
2.2.4 單噴嘴噴吹鋼包內流場模擬40
2.2.5 多噴嘴噴吹鋼包內流場模擬41
2.3 浸入式噴槍噴吹金屬熔池和AOD爐內三維流動的數值模擬44
2.3.1 水平氣體射流在液體中的行為特徵44
2.3.2 數學模型45
2.3.3 浸入式噴槍噴吹熔池中的流動特徵46
2.3.4 AOD爐內的流動特徵47
2.4 液態金屬熔池中的混合過程模擬49
2.4.1 混合過程和混合時間的數理研究方法49
2.4.2 精鍊金屬熔池混合過程的模擬分析50
2.5 LF鋼包精煉爐內夾雜物行為的計算機模擬52
2.5.1 LF爐內夾雜物描述的理論模型52
2.5.2 噴嘴布置對夾雜物去除的影響54
2.6 RH真空精煉過程的計算機模擬56
2.6.1 模型描述56
2.6.2 RH真空裝置內鋼液的流動特徵58
2.6.3 RH真空精煉裝置內鋼液的循環流量59
2.6.4 脫碳行為60
2.6.5 脫碳的影響因素61
參考文獻63
第三章 鑄造工藝的計算機模擬65
3.1 鑄件充型及傳熱過程模擬65
3.1.1 充型及傳熱過程的數理方程66
3.1.2 充型及傳熱過程模擬67
3.1.3 標準實驗(benchmark test)的模擬69
3.2 鑄件凝固過程中的三場耦合模擬與巨觀偏析的定量預測70
3.2.1 鑄件凝固過程的三場耦合70
3.2.2 三場耦合模型71
3.2.3 鋼錠三場耦合的模擬計算73
3.3 使用水平集方法模擬鑄造雙金屬軋輥75
3.3.1 沖洗法生產鑄造雙金屬軋輥75
3.3.2 數學模型75
3.3.3 數值穩定性分析76
3.3.4 計算結果與分析76
3.4 大型鑄鋼支承輥整體鑄造工藝的計算機模擬80
3.4.1 鑄鋼支承輥的整體鑄造工藝80
3.4.2 鑄鋼支承輥充型過程的模擬80
3.4.3 鑄鋼支承輥凝固過程模擬結果與分析81
3.5 電磁離心鑄造工藝模擬84
3.5.1 電磁場、熔體流場和溫度場的耦合85
3.5.2 熔體流場與壓力場模擬結果與分析86
3.5.3 溫度場的模擬結果與分析88
3.5.4 電磁攪拌對離心鑄造0Cr17Mn14Mo2N不鏽鋼管坯顯微組織的影響89
參考文獻91
第四章 凝固過程微觀組織模擬93
4.1 凝固過程微觀組織模擬方法93
4.1.1 確定性方法93
4.1.2 機率方法95
4.1.3 相場方法98
4.2 凝固過程數學模型101
4.2.1 形核模型101
4.2.2 晶體生長模型104
4.3 鑄錠凝固過程中柱狀晶與等軸晶的轉變108
4.3.1 元胞自動機與有限差分耦合108
4.3.2 模擬的基本步驟110
4.3.3 鑄錠凝固過程中柱狀晶與等軸晶的轉變110
4.4 噴射成形中金屬液滴凝固過程模擬113
4.4.1 噴射成形中金屬液滴凝固113
4.4.2 模型的描述114
4.4.3 液滴凝固過程模擬116
參考文獻120
第五章 熱軋帶鋼組織性能預報122
5.1 熱軋帶鋼組織性能預報的基本模組122
5.2 板坯加熱的奧氏體化過程及晶粒長大123
5.2.1 板坯加熱的奧氏體化過程123
5.2.2 晶粒長大動力學參數的確定125
5.3 軋制過程中的再結晶模擬127
5.3.1 熱軋溫度模型127
5.3.2 熱形變過程中的再結晶129
5.3.3 再結晶模型132
5.3.4 熱軋帶鋼再結晶的模擬134
5.4 熱軋帶鋼冷卻過程的相變計算135
5.4.1 熱軋低碳鋼冷卻相變計算136
5.4.2 卷取溫度控制模型140
5.4.3 計算結果與分析142
5.5 鐵素體晶粒尺寸預測145
5.5.1 鋼卷冷卻過程的溫度場模擬145
5.5.2 鐵素體晶粒尺寸模型147
5.5.3 計算結果與分析148
5.6 熱軋帶鋼組織性能預報150
5.6.1 物理冶金模型預報帶鋼性能150
5.6.2 Rollan軟體的套用154
參考文獻156
第六章 奧氏體鐵素體轉變的計算機模擬158
6.1 等溫奧氏體鐵素體相變的元胞自動機介觀模擬158
6.1.1 等溫奧氏體鐵素體相變二維元胞自動機模型 158
6.1.2 等溫奧氏體鐵素體相變元胞自動機模擬163
6.2 等溫相變過程中單個鐵素體晶粒長大行為的模擬170
6.2.1 等溫相變過程中單個鐵素體晶粒的長大模擬17
6.2.2 單個鐵素體晶粒的六種長大模式模擬171
6.3 連續冷卻奧氏體鐵素體相變元胞自動機模擬175
6.3.1 連續冷卻奧氏體鐵素體相變元胞自動機模型 175
6.3.2 連續冷卻奧氏體鐵素體相變模擬177
6.4 形變奧氏體－鐵素體相變晶體塑性有限元元胞自動機耦合模擬183
6.4.1 晶體塑性形變模型183
6.4.2 形變奧氏體鐵素體相變模型186
6.4.3 晶體塑性有限元模型與元胞自動機模型的耦合 188
6.4.4 形變奧氏體鐵素體相變的晶體塑性有限元－元胞自動機耦合模擬
結果190
6.5 FeC二元系未形變奧氏體等溫分解的蒙特卡羅法模擬196
6.5.1 蒙特卡羅模型197
6.5.2 單個晶粒中碳擴散過程的模擬200
6.5.3 雙晶粒體系中的等溫奧氏體鐵素體相變模擬 203
6.5.4 未形變奧氏體等溫分解過程中非平衡奧氏體－鐵素體相界面狀態的
分析206
6.5.5 未形變多晶奧氏體等溫分解過程中奧氏體－鐵素體相變模擬212
6.6 FeC二元系等溫熱形變過程中形變誘導鐵素體相變的蒙特卡羅法
模擬215
6.6.1 形變誘導鐵素體相變215
6.6.2 多態波茨模型217
6.6.3 模擬結果與分析221
6.7 深過冷軋制熱力耦合有限元分析235
6.7.1 鋼板熱軋過程界面換熱係數的測定236
6.7.2 熱軋板表層超細晶形成過程分析238
參考文獻242
第七章 塑性成形工藝模擬246
7.1 體成形工藝模擬246
7.1.1 體積成形工藝模擬246
7.1.2 體積成形過程中的熱力耦合模型246
7.1.3 近β型鈦合金的塑性成形過程模擬247
7.1.4 NiTi形狀記憶合金管件熱擠壓過程數值模擬249
7.2 板材衝壓成形過程的計算機模擬252
7.2.1 油底殼成形過程的三維有限元模擬252
7.2.2 鎂合金板材筒形件拉深成形261
7.2.3 板件液壓成形264
7.3 板成形回彈過程的計算機模擬270
7.3.1 板成形回彈的計算方法及影響因素270
7.3.2 汽車縱梁成形及回彈過程的模擬272
參考文獻280
關鍵術語281
1.1 材料製備工藝的基本概念和實例1
1.1.1 材料製備工藝的基本概念1
1.1.2 鋼鐵生產工藝流程2
1.1.3 我國鋼鐵工業的現狀7
1.2 材料製備工藝模擬的基本知識8
1.2.1 材料模擬的基本概念8
1.2.2 金屬材料製備工藝的計算機模擬14
1.2.3 工藝模擬的判據15
1.3 材料製備工藝模擬常用軟體16
1.3.1 鑄造工藝模擬軟體16
1.3.2 熱軋帶鋼組織性能預報軟體18
1.3.3 塑性成形工藝模擬軟體20
參考文獻22
第二章 液態金屬精煉過程的計算機模擬23
2.1 金屬熔體傳輸過程的基本方程與計算方法23
2.1.1 描述金屬熔體傳輸過程的基本方程23
2.1.2 冶金反應器內金屬熔體流場的計算方法27
2.2 底吹氬精煉鋼包內三維流動的計算機模擬36
2.2.1 控制方程36
2.2.2 吹氬精煉鋼包內氣液兩相區的描述36
2.2.3 三維數學模型的驗證38
2.2.4 單噴嘴噴吹鋼包內流場模擬40
2.2.5 多噴嘴噴吹鋼包內流場模擬41
2.3 浸入式噴槍噴吹金屬熔池和AOD爐內三維流動的數值模擬44
2.3.1 水平氣體射流在液體中的行為特徵44
2.3.2 數學模型45
2.3.3 浸入式噴槍噴吹熔池中的流動特徵46
2.3.4 AOD爐內的流動特徵47
2.4 液態金屬熔池中的混合過程模擬49
2.4.1 混合過程和混合時間的數理研究方法49
2.4.2 精鍊金屬熔池混合過程的模擬分析50
2.5 LF鋼包精煉爐內夾雜物行為的計算機模擬52
2.5.1 LF爐內夾雜物描述的理論模型52
2.5.2 噴嘴布置對夾雜物去除的影響54
2.6 RH真空精煉過程的計算機模擬56
2.6.1 模型描述56
2.6.2 RH真空裝置內鋼液的流動特徵58
2.6.3 RH真空精煉裝置內鋼液的循環流量59
2.6.4 脫碳行為60
2.6.5 脫碳的影響因素61
參考文獻63
第三章 鑄造工藝的計算機模擬65
3.1 鑄件充型及傳熱過程模擬65
3.1.1 充型及傳熱過程的數理方程66
3.1.2 充型及傳熱過程模擬67
3.1.3 標準實驗(benchmark test)的模擬69
3.2 鑄件凝固過程中的三場耦合模擬與巨觀偏析的定量預測70
3.2.1 鑄件凝固過程的三場耦合70
3.2.2 三場耦合模型71
3.2.3 鋼錠三場耦合的模擬計算73
3.3 使用水平集方法模擬鑄造雙金屬軋輥75
3.3.1 沖洗法生產鑄造雙金屬軋輥75
3.3.2 數學模型75
3.3.3 數值穩定性分析76
3.3.4 計算結果與分析76
3.4 大型鑄鋼支承輥整體鑄造工藝的計算機模擬80
3.4.1 鑄鋼支承輥的整體鑄造工藝80
3.4.2 鑄鋼支承輥充型過程的模擬80
3.4.3 鑄鋼支承輥凝固過程模擬結果與分析81
3.5 電磁離心鑄造工藝模擬84
3.5.1 電磁場、熔體流場和溫度場的耦合85
3.5.2 熔體流場與壓力場模擬結果與分析86
3.5.3 溫度場的模擬結果與分析88
3.5.4 電磁攪拌對離心鑄造0Cr17Mn14Mo2N不鏽鋼管坯顯微組織的影響89
參考文獻91
第四章 凝固過程微觀組織模擬93
4.1 凝固過程微觀組織模擬方法93
4.1.1 確定性方法93
4.1.2 機率方法95
4.1.3 相場方法98
4.2 凝固過程數學模型101
4.2.1 形核模型101
4.2.2 晶體生長模型104
4.3 鑄錠凝固過程中柱狀晶與等軸晶的轉變108
4.3.1 元胞自動機與有限差分耦合108
4.3.2 模擬的基本步驟110
4.3.3 鑄錠凝固過程中柱狀晶與等軸晶的轉變110
4.4 噴射成形中金屬液滴凝固過程模擬113
4.4.1 噴射成形中金屬液滴凝固113
4.4.2 模型的描述114
4.4.3 液滴凝固過程模擬116
參考文獻120
第五章 熱軋帶鋼組織性能預報122
5.1 熱軋帶鋼組織性能預報的基本模組122
5.2 板坯加熱的奧氏體化過程及晶粒長大123
5.2.1 板坯加熱的奧氏體化過程123
5.2.2 晶粒長大動力學參數的確定125
5.3 軋制過程中的再結晶模擬127
5.3.1 熱軋溫度模型127
5.3.2 熱形變過程中的再結晶129
5.3.3 再結晶模型132
5.3.4 熱軋帶鋼再結晶的模擬134
5.4 熱軋帶鋼冷卻過程的相變計算135
5.4.1 熱軋低碳鋼冷卻相變計算136
5.4.2 卷取溫度控制模型140
5.4.3 計算結果與分析142
5.5 鐵素體晶粒尺寸預測145
5.5.1 鋼卷冷卻過程的溫度場模擬145
5.5.2 鐵素體晶粒尺寸模型147
5.5.3 計算結果與分析148
5.6 熱軋帶鋼組織性能預報150
5.6.1 物理冶金模型預報帶鋼性能150
5.6.2 Rollan軟體的套用154
參考文獻156
第六章 奧氏體鐵素體轉變的計算機模擬158
6.1 等溫奧氏體鐵素體相變的元胞自動機介觀模擬158
6.1.1 等溫奧氏體鐵素體相變二維元胞自動機模型 158
6.1.2 等溫奧氏體鐵素體相變元胞自動機模擬163
6.2 等溫相變過程中單個鐵素體晶粒長大行為的模擬170
6.2.1 等溫相變過程中單個鐵素體晶粒的長大模擬17
6.2.2 單個鐵素體晶粒的六種長大模式模擬171
6.3 連續冷卻奧氏體鐵素體相變元胞自動機模擬175
6.3.1 連續冷卻奧氏體鐵素體相變元胞自動機模型 175
6.3.2 連續冷卻奧氏體鐵素體相變模擬177
6.4 形變奧氏體－鐵素體相變晶體塑性有限元元胞自動機耦合模擬183
6.4.1 晶體塑性形變模型183
6.4.2 形變奧氏體鐵素體相變模型186
6.4.3 晶體塑性有限元模型與元胞自動機模型的耦合 188
6.4.4 形變奧氏體鐵素體相變的晶體塑性有限元－元胞自動機耦合模擬
結果190
6.5 FeC二元系未形變奧氏體等溫分解的蒙特卡羅法模擬196
6.5.1 蒙特卡羅模型197
6.5.2 單個晶粒中碳擴散過程的模擬200
6.5.3 雙晶粒體系中的等溫奧氏體鐵素體相變模擬 203
6.5.4 未形變奧氏體等溫分解過程中非平衡奧氏體－鐵素體相界面狀態的
分析206
6.5.5 未形變多晶奧氏體等溫分解過程中奧氏體－鐵素體相變模擬212
6.6 FeC二元系等溫熱形變過程中形變誘導鐵素體相變的蒙特卡羅法
模擬215
6.6.1 形變誘導鐵素體相變215
6.6.2 多態波茨模型217
6.6.3 模擬結果與分析221
6.7 深過冷軋制熱力耦合有限元分析235
6.7.1 鋼板熱軋過程界面換熱係數的測定236
6.7.2 熱軋板表層超細晶形成過程分析238
參考文獻242
第七章 塑性成形工藝模擬246
7.1 體成形工藝模擬246
7.1.1 體積成形工藝模擬246
7.1.2 體積成形過程中的熱力耦合模型246
7.1.3 近β型鈦合金的塑性成形過程模擬247
7.1.4 NiTi形狀記憶合金管件熱擠壓過程數值模擬249
7.2 板材衝壓成形過程的計算機模擬252
7.2.1 油底殼成形過程的三維有限元模擬252
7.2.2 鎂合金板材筒形件拉深成形261
7.2.3 板件液壓成形264
7.3 板成形回彈過程的計算機模擬270
7.3.1 板成形回彈的計算方法及影響因素270
7.3.2 汽車縱梁成形及回彈過程的模擬272
參考文獻280
關鍵術語281
序言
在材料科學與工程中，經常處理“正”、“反”相左等複雜的問題，計算機模擬是繼理論實驗之外的第三種有效手段與方法，已得到廣泛的套用。
1995年，在日本筑波金屬材料研究所召開了21世紀材料發展國際研討會及對日本金屬材料研究所進行國際評議會議，該會議邀請了國際知名(Leading Institutes)的五位研究所所長，我作為中國科學院金屬研究所所長應邀參加會議之外，還有德國的馬普研究所所長佩卓夫、美國國家標準與技術研究所副所長諾克、英國國家物理實驗室主席海珊和日本金屬材料研究所所長尼一。會議討論中注意到各國在材料領域中運用計算機模擬材料製備工藝及材料設計做了許多工作，發展很快。我回國後在一次科技部召開的規劃會上做了一個發言，提出我國應該大力支持開展計算材料學工作，其中包括材料設計和材料製備工藝的計算機模擬兩個部分。鑒於我們是從事材料套用研究的，因此向金屬研究所及中國科學院提出引進“百人計畫”——材料製備工藝計算機模擬的人才，並同年組建了材料製備工藝計算機模擬研究組，李殿中研究員任組長，我作為顧問，與他一起陸續招收20餘名研究生從事該項工作。多年來，該模擬組完成了國家“973”、“863”、國家自然科學基金有關項目以及通過國際合作引進國外優秀專家，建立高技術傳輸平台，並在生產實際中運用計算機模手段指導工藝設計，製備出合格的產品，解決了企業中存在的多項問題；開展了套用基礎研究工作，論文發表在Acta Materialia、Metall. Transactions A、MSMSE等雜誌上90餘篇本書旨在介紹材料製備工藝計算機模擬的基本知識和套用實例，系統地闡述鋼與合金的爐外精煉、鑄造、凝固、固態相變、軋制、塑性成形等材料製備工藝模擬的基本方法，不僅注重理論建模、計算及工藝模擬，更注重與實踐的結合，並將模擬的結果與實踐相比較，確定最佳的製備工藝制度。我們希望將已經得到的結果總結整理成書，目的在於使人們對材料製備工藝的計算機模擬知識有一個基本的理解，並能以計算機模擬提升我國的冶金與裝備製造業水平，達到省時、節能、提高質量、降低成本和最佳化環境的目的。
本書由李依依策劃並統稿，張玉妥負責編輯。全書共分7章，具體分工為：第一章概論由李依依撰寫；第二章液態金屬精煉過程的計算機模擬由東北大學材料與冶金學院朱苗勇撰寫；第三章鑄造工藝的計算機模擬由李殿中、韓維新、胡志勇、杜強、康秀紅撰寫；第四章凝固過程微觀組織模擬由趙九洲、張玉妥撰寫；第五章熱軋帶鋼組織性能預報由李殿中、張玉妥、沙孝春、王利明撰寫；第六章奧氏體鐵素體轉變的計算機模擬由佟銘明、蘭勇軍、黃成江撰寫；第七章塑性成形工藝模擬由張士宏、李建國撰寫。本書內容主要反映中國科學院金屬研究所材料製備工藝計算機模擬組的研究成果。感謝中國工程物理研究院趙鵬驥研究員在本模擬組成立前期給予的幫助。感謝北京大學數學科學學院張平文教授、清華大學物理系倪軍教授以及中國科學院金屬研究所范存淦研究員、王元明研究員、戎利建研究員和李秀艷博士。本書既可作為研究生、本科生的學習用書，也可供企業、科研與教學單位從事裝備製造和材料套用相關專業的科技人員參考。
1995年，在日本筑波金屬材料研究所召開了21世紀材料發展國際研討會及對日本金屬材料研究所進行國際評議會議，該會議邀請了國際知名(Leading Institutes)的五位研究所所長，我作為中國科學院金屬研究所所長應邀參加會議之外，還有德國的馬普研究所所長佩卓夫、美國國家標準與技術研究所副所長諾克、英國國家物理實驗室主席海珊和日本金屬材料研究所所長尼一。會議討論中注意到各國在材料領域中運用計算機模擬材料製備工藝及材料設計做了許多工作，發展很快。我回國後在一次科技部召開的規劃會上做了一個發言，提出我國應該大力支持開展計算材料學工作，其中包括材料設計和材料製備工藝的計算機模擬兩個部分。鑒於我們是從事材料套用研究的，因此向金屬研究所及中國科學院提出引進“百人計畫”——材料製備工藝計算機模擬的人才，並同年組建了材料製備工藝計算機模擬研究組，李殿中研究員任組長，我作為顧問，與他一起陸續招收20餘名研究生從事該項工作。多年來，該模擬組完成了國家“973”、“863”、國家自然科學基金有關項目以及通過國際合作引進國外優秀專家，建立高技術傳輸平台，並在生產實際中運用計算機模手段指導工藝設計，製備出合格的產品，解決了企業中存在的多項問題；開展了套用基礎研究工作，論文發表在Acta Materialia、Metall. Transactions A、MSMSE等雜誌上90餘篇本書旨在介紹材料製備工藝計算機模擬的基本知識和套用實例，系統地闡述鋼與合金的爐外精煉、鑄造、凝固、固態相變、軋制、塑性成形等材料製備工藝模擬的基本方法，不僅注重理論建模、計算及工藝模擬，更注重與實踐的結合，並將模擬的結果與實踐相比較，確定最佳的製備工藝制度。我們希望將已經得到的結果總結整理成書，目的在於使人們對材料製備工藝的計算機模擬知識有一個基本的理解，並能以計算機模擬提升我國的冶金與裝備製造業水平，達到省時、節能、提高質量、降低成本和最佳化環境的目的。
本書由李依依策劃並統稿，張玉妥負責編輯。全書共分7章，具體分工為：第一章概論由李依依撰寫；第二章液態金屬精煉過程的計算機模擬由東北大學材料與冶金學院朱苗勇撰寫；第三章鑄造工藝的計算機模擬由李殿中、韓維新、胡志勇、杜強、康秀紅撰寫；第四章凝固過程微觀組織模擬由趙九洲、張玉妥撰寫；第五章熱軋帶鋼組織性能預報由李殿中、張玉妥、沙孝春、王利明撰寫；第六章奧氏體鐵素體轉變的計算機模擬由佟銘明、蘭勇軍、黃成江撰寫；第七章塑性成形工藝模擬由張士宏、李建國撰寫。本書內容主要反映中國科學院金屬研究所材料製備工藝計算機模擬組的研究成果。感謝中國工程物理研究院趙鵬驥研究員在本模擬組成立前期給予的幫助。感謝北京大學數學科學學院張平文教授、清華大學物理系倪軍教授以及中國科學院金屬研究所范存淦研究員、王元明研究員、戎利建研究員和李秀艷博士。本書既可作為研究生、本科生的學習用書，也可供企業、科研與教學單位從事裝備製造和材料套用相關專業的科技人員參考。
