（材料加工工程专业论文）板带钢热轧过程宏观行为与介观组织的综合模拟.pdf

11 1rr 1_1，一1 分类号 u d c 作者姓名： 指导教师： 申请学位级别： 学科专业名称： 论文提交日期： 学位授予日期： 评阅人： 学 密级 论文 板带钢热轧过程宏观行为与 介观组织的综合模拟 支颖 刘相华教授 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 博士学科类别：工学 材料加工工程 2 0 0 8 年1 1 月1 8 日论文答辩日期：2 0 0 8 年1 2 月2 4 日 答懒撕胡壮麒院士 东北大学 2 0 0 8 年1 1 月 刊 善 1 _】jl-i ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g s i m u l a t i o no f m a c r o s c o p i cb e h a v i o r a n d m e s 0 s t r uc t u r ee v o l u t i o nf o rh o tr o l l e df l a t b yz h iy i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i ux i a n g h u a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y n o v e m b e r20 0 8 l，ko 一 | 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本 人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：多力汐 学位论文版权使用授权书 | i ) 暑 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定： 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年函 学位论文作者签名：导师签名： 饥和吁 签字日期：) 矛，o 8 签字日期：- 形彦1 2 谚 i 东北大学博士学位论文 摘要 板带钢热轧过程宏观行为与介观组织的综合模拟 摘要 随着科学技术的发展，人们对钢铁产品质量提出了越来越高的要求，计算机数值 模拟技术在轧制过程中的广泛应用，为分析轧制过程、改善钢材质量提供了新的手段。 数值模拟不仅可以实现轧件尺寸形状的预测，而且可以对其组织演变进行模拟。利用 计算机使得轧制过程的求解变得更加方便、快捷和精确，同时，传统的实验方法已不 足以满足人类对材料制备的新需求，如果在计算机上再现材料成形过程，进行辅助实 验，能够节约实验成本，加快新产品开发的周期，在指导产品开发和工艺优化设计中 发挥作用。为此，本文以板带钢热轧过程为研究背景，采用有限元与元胞自动机相结 合的方法，对板带钢热轧过程宏观行为与介观组织演变进行了综合模拟研究，以加深 对板带钢轧制过程组织演变深层规律的认识。论文的主要研究工作如下： ( 1 ) 提出将有限元与元胞自动机相结合对热轧过程组织演变进行宏观与介观综合 模拟的思路和方法，给出本文所采用的模拟热轧板带钢宏观行为( 温度场、应变场等) 的有限元方法和基本理论，以及用于模拟热轧板带钢介观组织( 再结晶、相变等) 的 元胞自动机原理和方法。 ( 2 ) 对板带钢热轧过程宏观变形行为进行研究，建立板带钢热轧过程温度场及应变 场的有限元模型，模拟轧件温度随时间的变化规律以及轧件内部的温度分布，模拟轧 制变形区应变的分布情况，为进一步分析热轧板带钢的介观组织演变提供了基础。 ( 3 ) 对板带钢热轧过程介观组织演变进行研究，建立板带钢热变形奥氏体动态再结 晶和静态再结晶的二维元胞自动机模型，开发模拟板带钢轧制过程动态、静态再结晶 的元胞自动机软件。模拟中考虑板带钢在变形中所发生的奥氏体动态再结晶、动态回 复及在变形后发生的静态再结晶、静态回复、。亚动态再结晶和晶粒长大等一系列过程。 模拟奥氏体再结晶组织动态演变过程，实现再结晶晶粒尺寸i 体积分数、静态软化率 曲线、位错密度、流变应力及晶粒形态等参数的定量化、精确化和可视化描述。、 i ( 4 ) 利用元胞自动机模拟结果i 分析变形温度、变形速率等工艺参数对热变形奥氏 体再结晶组织的影响。通过热模拟实验研究，实测动态再结晶过程中的流变应力，并 观察其显微组织，将实测结果与模拟结果相比较来验证模型的精度。 ( 5 ) 根据奥氏体相变原理，开发板带钢热变形后连续冷却相变的二维元胞自动机模 拟软件。模拟连续冷却中奥氏体向铁素体、珠光体和贝氏体转变的相变过程。计算不 东北大学博士学位论文摘要 同冷却速率下相变类型、相变开始温度、相变动力学曲线、晶粒尺寸及碳浓度的分布 等，分析温度和冷却速率对奥氏体相变组织的影响。 ( 6 ) 把有限元与元胞自动机结合起来进行宏观变形与介观组织变化的综合模拟研 究，利用轧件变形区内及轧制道次间隔温度场和应变场的有限元模拟结果作为元胞自 动机计算的初始条件和边界条件，在沿金属变形流线选定特征微元，对动态再结晶和 静态再结晶的组织演变过程进行元胞自动机模拟，分析宏观变形行为对微元晶粒尺寸、 再结晶分数和流变应力等介观组织演变的影响。模拟中厚板轧后冷却过程的组织变化， 分析不同温度范围和冷却速率等宏观行为对微元所发生相变类型、相变开始温度和相 变介观组织的影响。 ( 7 ) 通过有限元与元胞自动机的综合模拟结果，得到能够再现板带钢轧制变形区内 及轧后再结晶过程展示图和轧后连续冷却中相变过程组织演变的展示图，从而实现对 再结晶、相变等介观组织演变过程的直观化和形象化的描述。 上述研究工作建立起了塑性加工过程宏观变形分析与介观组织模拟之间的联系， 对轧制过程的多尺度耦合模拟进行了探索，为加深对塑性成形过程物理本质的认识提 供了一种新方法。 关键词：热轧板带钢；有限元；元胞自动机；综合模拟；温度场；应变场；动态再结 晶；静态再结晶；相变；位错；流变应力 r 、 - 一 _ 东北大学博士学位论文a b s t r a c t s i m u l a t i o no fm a c r o s c o p i cb e h a v i o ra n dm e s o s t r u c t u r e e v o l u t i o nf o rh o tr o l l e df l a t a b s t r a c t 、矾t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h eq u a l i t yo fs t e e lp r o d u c t si sm a d e i n c r e a s i n gd e m a n d sa n dt h ec o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi nt h er o l l i n gp r o c e s s i sw i d e l yu s e dt op r o v i d ean e w w a yt oa n a l y z et h er o l l i n gp r o c e s sa n de n h a n c et h eq u a l i t y o fs t e e l n u m e r i c a ls i m u l a t i o nn o to n l yr e a l i z e st h ef o r e c a s to fs i z ea n ds h a p eo fw o r k p i e c e ， b u ta l s oc o u l db eu s e dt os i m u l a t et h ee v o l u t i o no fm e s o s t r u c t u r e 1 1 1 eu s eo fc o m p u t e r m a k e st h es o l v i n go fr o l l i n gp r o c e s st ob em o r ec o n v e n i e n t ，f a s ta n da c c u r a t e ，a tt h es a m e t i m e ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d sa r en ol o n g e rs u f f i c i e n tt om e e th u m a nd e m a n d sf o rn e w m a t e r i a l s 1 1 1 er e a p p e a r a n c eo fm a t e r i a lf o r m i n gp r o c e s so nt h ec o m p u t e rm o d e la n d a u x i l i a r ye x p e r i m e n t sc o u l dc o n t r i b u t eg r e a t l yt ot h ec o s t s a v i n ge x p e r i m e n t , a n ds p e e du p t h ed e v e l o p m e n tc y c l eo fn e wp r o d u c t s i t 。h a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei ng u i d i n gt h e p r o d u c t sd e v e l o p m e n tp r o c e s sa n do p t i m i z i n gt h ed e s i g n t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l et a k e st h e p r o c e s so fh o tr o l l e df l a ta st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，a n dt h ec o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o no f m a c r o s c o p i cb e h a v i o ra n dm e s o s t r u c t u r ee v o l u t i o nf o rh o tr o l l e df l a ti sc a r r i e do u tb yf m i t e e l e m e n tm e t h o da n dc e l l u l a ra u t o m a t o n t h er e s e a r c hw o u l dm a k et h eu n d e r s t a n d i n gd e e p l y f o rt h el a wo nt h em e s o s t r u c m r ee v o l u t i o no ft h ef l a ti np r o c e s so fr o l l i n g n l em a i nw o r ko f t h ep a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) 啊1 ei d e a sa n dm e t h o d so ft h ec o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o no fm a c r o s c o p i cb e h a v i o r a n dm e s o s t r u c t u r ee v o l u t i o nf o rh o tr o l l e df l a tw e r ep u tf o r w a r d n l ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n dt h eb a s i ct h e o r y , b yw h i c hm a c r o s c o p i cb e h a v i o r ( t e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r a i nf i e l d ，a n ds o o n ) o fh o tr o l l e df l a tw a ss i m u l a t e d ，w e r ei n t r o d u c e d t h ec e l l u l a ra u t o m a t o nt h e o r ya n d m e t h o d s ，b yw h i c hm e s o s t r u c t u r ee v o l u t i o n ( r e c r y s t a l l i z a t i o n , t r a n s f o r m a t i o n ，e t c ) o fh o t r o l l e df l a tw a ss i m u l a t e d ，w e r ea l s oi n t r o d u c e d ( 2 ) t h em a c r o s c o p i cb e h a v i o ro fh o tr o i l e df l a t , s u c ha st h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r a i n f i e l do fh o tr o l l e df l a tw e r ee s t a b l i s h e db yf i n i t ee l e m e n tm o d e lt os i m u l a t er o l l i n g t e m p e r a t u r ec h a n g e so v e rt i m ea n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fw o r k p i e c e ，a sw e l la st h e d i s t r i b u t i o no fs t r a i ni nt h er o l l i n gd e f o r m a t i o nz o n e i tp r o v i d e dab a s i sf o rf u r t h e ra n a l y s i s o ft h ee v o l u t i o no ft h em e s o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lc h a n g e so fh o tr o l l e df l a t ( 3 ) n l em e s o s t r u c t u r ee v o l u t i o no fr e c r y s t a l l i z a t i o no fd e f o r m e da u s t e n i t eo fh o tr o l l e d f l a tw a sm a i n l ys i m u l a t e db yc e l l u l a ra u t o m a t o n t h et w o d i m e n s i o n a lc e l l u l a ra u t o m a t o n m o d e lo ft h ed y n a m i ca n ds t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o no fd e f o r m e da u s t e n i t ew a se s t a b l i s h e d a s e r i e so ft h ep r o c e s s ，i n c l u d i n gd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o no ft h ea u s t e n i t e ，a n dd y n a m i c 东北大学博士学位论文a b s t r a c t r e c o v e r yi nt h ed e f o r m a t i o nr e g i o na n dt h es t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o n , b a c kt ot h es t a t i c ， s u b d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o na n dg r a i ng r o w t ha f t e rd e f o r m a t i o nw a sc o n s i d e r e d 砀e e v o l u t i o no ft h em e s o s t m c t u eo fa u s t e n i t er e c r y s t a l l i z a t i o nw a ss i m u l a t e dd y n a m i c a l l y , s u c h a st h ep a r a m e t e r s ：t h eg r a i ns i z e ，v o l u m e ，s t a t i cs o f t e n i n gr a t ec u r v e ，d i s l o c a t i o nd e n s i t y , t h e f l o ws t r e s sa n dg r a i ns h a p e ，w e r eq u a n t i t a t i v e l y , a c c u r a t e l ya n dv i s u a l l yd e s c r i b e d ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t so fc e l l u l a ra u t o m a t o n , t h ee f f e c t so ft h e d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，s t r a i nr a t e ，a n do t h e rt e c h n i c a lp a r a m e t e r so nt h e a u s t e n i t e d y n a m i c a n ds t a t i c r e c r y s t a l l i z a t i o nm e s o s t m c t u r e w e r e a n a l y z e d t h r o u g ht h e r m a l s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h ef l o ws t r e s si nd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nw a sm e a s u r e d , a n dt h e m e s o s t r u c t u r ew a so b s e r v e d ，w i t ht h ec o m p a r i s o nt ot h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h ea u s t e n i t i ct r a n s f o r i l l a t i o nt h e o r y , t h et h et w o d i m e n s i o n a lc e l l u l a r a u t o m a t o nm o d e lo ft h ea u s t e n i t et r a n s f o r m a t i o no ft h eh o tr o l l e df i a td u r i n gc o o l i n gw a s e s t a b l i s h e d t h ef e r r i t e ，p e a r l i t ea n db a i n i t et r a n s f o r m a t i o nd u r i n gt h ec o n t i n u o u sc o o l i n g w e r es i m u l a t e d o nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tc o o l i n gr a t e s ，t h et r a n s f o r m a t i o nt y p e s ，t h e b e g i n n i n gt e m p e r a t u r eo ft r a n s f o r m a t i o n ，k i n e t i c sc u r v eo ft r a n s f o r m a t i o n , d i s t r i b u t i o no f c a r b o nc o n c e n t r a t i o na n dg r a i ns i z ea n ds oo n , w e r eo b t m n e d ，n l ee f f e c t so ft h et e m p e r a t u r e a n dc o o l i n gr a t eo nt h em e s o s t r u c m r eo fa u s t e n i t i ct r a n s f o r m a t i o nw e r ea n a l y z e d ( 6 ) i nc o m b i n a t i o ns i m u l a t i o nb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dc e l l u l a ra u t o m a t o n , t h e f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l t si nt h ed e f o r m a t i o nr e g i o na n db e t w e e nt h er o l l i n gp a s sw e r e u s e da si n i t i a lc o n d i t i o n so fc e l l u l a ra u t o m a t o nc a l c u l a t i o n m i c r o a r e ai nt h ew o r p i e c ea l o n g t h el i n e so fm e t a ld e f o r m a t i o nf l o ww a ss e l e c t e d 砀ee v o l u t i o np r o c e s so fd y n a m i ca n d s t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o no fm i c r o a r e aw a ss i m u l a t e db yc e l l u l a ra u t o m a t o n ，a n dt h ee f f e c t so f t h ed i f f e r e n tm a c r o s c o p i cb e h a v i o ro nt h ef m a lg r a i ns i z e ，v o l u m e ，a n dt h ef l o ws t r e s sa n ds o o nw e r ea n a l y z e d t h em e s o s t r u c t u r eo ft h eh o tr o l l e df l a td u r i n gt h ea c c e l e r a t e dc o o l i n gw a s s i m u l a t e d 。砀ee f f e c t so ft h et e m p e r a t u r e r a n g ea n dt h ec o o l i n gr a t e so nt h et y p eo f t r a n s f o r m a t i o n ，t h eb e g i n n i n gt e m p e r a t u r eo ft r a n s f o r m a t i o na n dt h em e s o s t r u c t u r eo f t r a n s f o r m a t i o nw e r ea n a l y z e d ( 7 ) t h r o u g ht h e r e s u l t so fc o m b i n a t i o ns i m u l a t i o n , t h e d i s p l a ym a p so ft h e r e c r y s t a u i z a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o np r o c e s sw e r eo b t a i n e d ，w h i c hr e a l i z e dt h ev i s u a la n d f i g u r a t i v ed e s c r i p t i o no ft h em e s o s t r u c t u r ee v o l u t i o n t 1 1 ea b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c hh a se s t a b l i s h e dal i n kb e t w e e nt h em a c r o d e f o r m a t i o n a n a l y s i sa n dm e s o s i m u l a t i o ni nt h ep r o c e s so fm e t a lf o r m i n g n l es i m u l a t i o no fm u l t i s c a l e c o u p l i n gh a sb e e ne x p l o r e d ，a n dan e wm e t h o dh a sb e e np r o v i d e di no r d e rt om a k et h e u n d e r s t a n d i n gd e e p l yf o rt h e p h y s i c a ln a t u r eo ft h em e t a lf o r m i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：h o tr o l l e df l a t ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；c e l l u l a ra u t o m a t o n ；t e m p e r a t u r ef i e l d ； s t r a i nf i e l d ；d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ；s t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ；t r a n s f o r m a t i o n ； d i s l o c a t i o n ；f l o ws t r e s s - ij1-11 矽 。一 东北大学博士学位论文 目录 目录 摘要- i a b s t l a c t i i i 目录v 1 绪论o 。1 1 1 研究背景和意义1 1 2 研究领域的国内外现状3 1 2 1 有限元法在热轧过程宏观行为模拟中的应用3 1 2 1 1 有限元法在温度场模拟中的应用j 3 1 2 1 2 有限元法在应变场模拟中的应用3 1 2 2 元胞自动机在金属材料介观组织模拟中的应用4 1 2 2 1 元胞自动机在凝固过程模拟中的应用5 1 2 2 2 元胞自动机在再结晶过程模拟中的应用7 1 2 2 3 元胞自动机在相变过程模拟中的应用8 1 3 本研究目的意义和主要研究内容9 2 宏观与介观综合模拟的方法及基本原理11 2 1 宏观与介观综合模拟的思路与方法1 1 2 1 1 宏观与介观综合模拟的思路1 1 2 1 2 宏观与介观综合模拟的计算流程1 1 2 2 刚塑性有限元方法的基本原理：1 3 。2 2 1 单元内温度( 速度) 插值及形状函数：一：1 3 2 2 2 变形速度与节点速度的关系、b 矩阵：。：1 5 2 2 3j a c o b i 矩阵及其逆矩阵和行列式：。1 6 2 2 4 高斯数值积分：18 2 3 热轧板带钢温度场的有限元解析1 9 2 3 1 热传导基本理论：1 9 2 3 1 1 热传导偏微分方程：1 9 2 3 1 2 导热问题的定解条件：1 9 2 3 2 温度场的有限元求解公式化：2 0 2 3 2 1 热传导问题的泛函和变分原理2 0 2 3 2 2 有限元求解公式2 1 东北大学博士学位论文 目录 2 4 热轧板带钢应变场的有限元解析2 2 2 4 1 总能耗率泛函的离散化2 2 2 4 2 总能耗率泛函的最小化：2 3 2 5 元胞自动机的原理、方法和应用选择2 4 2 5 1 元胞自动机的定义2 4 2 5 2 元胞自动机的构成2 4 2 5 2 1 元胞和元胞空间2 5 2 5 2 2 邻居和边界条件2 5 2 5 2 3 演化规则2 7 2 5 3 元胞自动机的一般特征。2 8 2 5 4 元胞自动机的分类2 8 2 5 5 元胞自动机的辨证思想2 9 2 5 6 元胞自动机的程序设计方法31 2 6 爿、l 砉31 3 有限元方法模拟热轧过程宏观行为：3 2 3 1 板带钢热轧过程温度场计算结果及分析3 2 3 1 1 变形区内轧件温度计算方法3 2 3 1 2 轧件空冷与水冷过程的温度计算方法3 3 3 1 3 计算条件及计算结果3 5 3 2 板带钢热轧过程应变场模拟结果及分析4 6 3 2 1 计算条件4 6 3 2 2 应变场模拟结果一4 6 3 3 叫、结4 9 4 热变形奥氏体再结晶过程的c a 模拟5 0 4 1 奥氏体再结晶基本原理5 0 4 1 1 动态再结晶理论。5 0 4 1 2 静态再结晶的形核机制j 5 5 4 2 动态再结晶c a 模型的建立5 5 4 2 1 动态再结晶数学模型。5 5 4 2 2 母相组织的背底模型5 8 4 2 3 动态再结晶c a 模型。：5 9 4 3 动态再结晶c a 模拟结果j 6 2 4 3 一模拟条件。6 2 卜一 东北大学博士学位论文 目录 4 3 2 动态再结晶介观组织演变的模拟结果6 3 4 3 3 动态再结晶动力学曲线的模拟结果6 6 4 3 4 动态再结晶位错密度演变的模拟结果j 6 7 4 3 5 动态再结晶流变应力的模拟结果6 8 4 3 6 动态再结晶晶粒尺寸的模拟结果6 9 4 4 静态再结晶c a 模型的建立7 0 4 4 1 静态再结晶数学模型7 0 4 4 2 静态再结晶c a 模型：7 1 4 5 静态再结晶c a 模拟结果7 2 4 5 1 模拟条件7 2 4 5 2 静态软化率曲线模拟结果7 3 4 5 3 静态再结晶介观组织演变的模拟结果_ 7 3 4 5 4 静态再结晶位错密度演变的模拟结果7 5 4 6 奥氏体再结晶的实验研究和模型验证7 6 4 6 1 实验方法一7 6 4 6 2 实验结果与模型验证7 6 4 7 小结7 8 5 连续冷却奥氏体相变过程的c a 模拟8 0 5 1 奥氏体连续冷却相变基本原理_ ：8 0 5 2 奥氏体连续冷却相变c a 模型的建立8 1 5 2 1 奥氏体连续冷却相变数学模型：8 1 5 2 2 奥氏体连续冷却相变c a 模型8 7 5 3 奥氏体连续冷却相变c a 模拟结果- 9 0 5 3 1 模拟条件：9 0 5 3 2 连续冷却相变体积分数的模拟结果- 一9 1 5 3 3 连续冷却相变介观组织演变的模拟结果：9 2 5 3 4 连续冷却相变碳浓度变化的模拟结果9 3 5 3 5 连续冷却相变晶粒尺寸的模拟结果9 4 5 4 小结9 5 6 热轧板带钢宏观行为与介观组织综合模拟9 6 6 1 变形区内及轧后宏观行为与再结晶过程综合模拟9 6 6 1 1 再结晶综合模拟条件9 6 6 1 2 再结晶综合模拟结果9 8 东北大学博士学位论文目录 6 2 轧后冷却过程宏观行为与相变过程综合模拟1 0 2 6 2 1 相变综合模拟条件。1 0 2 6 2 2 相变综合模拟结果1 0 3 6 3 综合模拟结果的展示1 0 4 6 3 1 再结晶模拟结果展示图1 0 5 6 3 2 相变模拟结果展示图1 0 6 6 4d 、结1 0 6 7 结论- 1 0 8 参考文献1 0 9 攻读博士学位期间的研究工作及成果1 17 致谢119 作者简介1 2 0 ”1 i 东北大学博士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景和意义 1 绪论 钢铁材料是关系国计民生的重要物资，在国民经济建设中发挥了重要作用。随着 经济建设和科学技术的发展，人们对钢铁产品质量提出了越来越高的要求，如何在提 高钢材质量的同时实现节能减排的国家目标，这给钢铁研究工作者提出了新的挑战。 在钢材组织性能的研究中，应运而生的计算机数值模拟技术可以助其一臂之力。 计算机数值模拟技术在轧制过程中的广泛应用，为改进钢材质量提供了一种新的 方法，使对轧钢生产的研究达到一个全新水平，数值模拟技术已经由对轧件尺寸形状 的预测发展到金属组织性能预测。利用计算机使得s l n 过程的求解变得更加方便、快 捷和精确，同时，传统的实验方法已不足以满足人类对材料制备的新需求，在计算机 上再现材料成形过程，进行辅助实验，能够节约实验成本，加快新产品开发的周期， 并且为模型的建立和实验提供了巨大的灵活性和方便性，在新材料的工艺设计中发挥 着不可替代的作用【l 】。 计算机对金属材料行为的模拟大体可以划分为3 个层次：材料的微观层次、介观 层次和宏观层次【2 】。材料微观行为模拟是指在电子、原子层次上的模拟，比如合金的有 序化转变的模拟；材料介观行为模拟是指对材料显微组织结构的转变的模拟，比如应 用蒙特卡罗( m c ，m o n t ec a r l o ) 方法和元胞自动机( c a ，c e l l u l a ra u t o m a t o n ) 方法 或连续场模型对合金凝固结晶、再结晶及相变过程的模拟等；材料宏观行为模拟是指 对材料加工过程的模拟，比如应用有限元软件模拟材料加工中的塑性变形、应力应变 场及温度场的变化等【3 j 。 对金属成形中组织的研究范围极其广泛，虽然各层次的计算机模拟相对地有了较 大发展，但在各层次间的结合和联系方面却很不足，需要努力填补各体系间的鸿沟。 近年来，多尺度模拟虽然在不同的空间尺度连接上有一些尝试，但是如果多个尺度同 时产生影响时，这样的耦合模拟具有很大的挑战性，目前，金属成形过程多尺度耦合 模拟已经成为国际研究前沿的热点问题。 对热轧板带钢的温度场及应力应变场的宏观行为的模拟是十分必要的。带钢的温 度场及应力应变场的模拟是其介观组织演变模拟研究的基础。带钢的温度是直接影响 轧制产品尺寸精度和力学性能的重要因素之一。首先，它影响金属的变形抗力，从而 影响了轧件变形和力学参数；其次，它影响金属的介观组织变化，从而影响轧后产品 的组织和性能，目前计算轧制过程温度场已是组织演变模拟的一个重要手段。应力应 东北大学博士学位论文 1 绪论 变场的计算在组织演变模拟中也是十分重要的。首先，轧件的应变影响到奥氏体再结 晶组织演变；其次，应变场的计算结果应变速度、体积应变速率、塑性变形功率和摩 擦功率要影响温度场的计算，进而影响轧后产品的组织和性能。 钢的性能在很大程度上是由钢的组织决定的，对板带钢热轧过程的组织演变进行 模拟与分析十分必要。对于热轧过程板带钢组织演变的介观行为，如奥氏体再结晶， 奥氏体向铁素体、珠光体和贝氏体的相变等金属学现象，可以采用元胞自动机方法对 其进行模拟。元胞自动机模拟能够直观地