（机械电子工程专业论文）车辆用高强度板材组织控制系统的设计研究.pdf

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- 乘回归，超细晶铁素体 江苏大学硕士学位论文 一一一 a b s t r a c t r e c e n t l y , a u t o m o b i l e m a n u f a c t u r e r sa r et r y i n g t od e v e l o pl o w 。p r i c e v e h i c l e sw i t h h i g h q u a l i t ya n dl i g h tw e i g h t i no r d e rt om e e tt h e s ed e m a n d s ，t h em o s te f f e c t i v em e t h o d i st 0 d e v e l o pu i t r a f i n eg r a i ns t e e l s u i t a b l ef o rn e wv e h i c l e m a n ys t u d i e sh a v eb e e nc o n d u c t e d c o n c e r n i n gw i t hu l t r a f i n eg r a i nu s e di n v e h i c l ed e f o r m a t i o ne l e m e n t s ，e s p e c i a l l yi nt h em o s t p r o m i s i n gf i e l do fd e f o r m a t i o ni n d u c e dt r a n s f o r m a t i o nt e c h n i q u e s t u d i e sh a v es h o w n t h a t8 0 d e f o r m a t i o na m o u n ti sn e e d e dt og e tu l t r a f i n eg r a i ns t e e l ( f f i n e 三6 0 ，d 4 u m ) w h i c hi s b e y o n dr o l l i n ga b i l i t i e so fr o l l i n gr a i l t h e r e f o r e ，m a n yt r i a ls t u d i e so nt h ep o s s i b i l i t y t ou t i l i z et h e a c c u m u l a t i v ee 髓c t so fm u l t i p a s sa n ds m a l ld e f o r m a t i o nt ot a k e t h ep l a c eo fs i n g l e p a s s d e f o m i a t i o n b u tl a r g ed e f o r m a t i o na m o u n ti sc r u c i a lt ot h ea p p l i c a t i o no f d e f o r m a t i o ne n h a n c e d t r a n s f o r m a t i o ni nt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h i sp a p e rp r o p o s e sas 仃u c t u r ec o n t r o ls y s t e mo f u l t r a f i n eg r a i nf e r r i t ep r e p a r a t i o nt h a ti s s u i t a b l ef o rs t e e lm a n u f a c t u r e r s ，f u l l yb a s e do nt h er e s u l t so f e a r l i e rs t a g ea n dw i t ht h es u p p o r to f j i a n g s uu n i v e r s i t i e sn a t u r a lf u n dk e yp r o j e c ta sw e l la st h ec o l l e g es t u d e n t sp r o j e c to fj i a n g s u u n i v e r s i t y t a r g e t i n ga tm i c r o a l l o y e ds t e e la n di n t e g r a t i n gt h em e t h o d s o fo p t i m a ld i s c r i m i n a t i o n p l a n e ( o d p ) i np a n n e rr e c o g n i t i o nw i t hp a r t i a ll e a s t - s q u a r e s ( p l s ) ，t h i s a r t i c l ea n a l y z e st h e e f f e c t so fs t e e lc o m p o n e n t sa n dd e f o r m a t i o np r o c e s sp a r a m e t e r so nu l t r a f i n em i c r o s t r u c t u r ew h i l e a p p l y i n gm u l t i p a s sa n ds m a l ld e f o r m a t i o n , d e r i v e st h e m i c r o s t r u c t u r ec o n t r o lm o d e la n dg e tt h e o p t i m a lp r o c e s ss c h e m e ，w h i c hc o u l ds o l v ea st h eb e n c h m a r kf o rm a s sp r o d u c t i o n t h em a i nc o n t e n t sa n dn e wi d e a so ft h i sp a p e ra l ea sf o l l o w i n g s ： 1 b a s e do nt h ep r o e e s sd a t ao fe a r l i e rs t a g e ，e x p e r i m e n t sd a t a b a s ea n dm o d e l sd a t a b a s e a r ee s t a b l i s h e da i m i n ga td i f f e r e n ts y s t e mw i t hs q l 2 0 0 0 a n de x p e r i m e n t sd a t a b a s e s u p p o r ts u p p l yt h eu n i f i e dm a n a g e m e n ta n ds t a t i s t i c sa n a l y s i s i nt h es y s t e m w i t h v a r i a b l ed a t a b a s e s ，t h i ss y s t e mi sf e a s i b l et oe x t e n s i v es y s t e mo f s h e e t 2 a p p l yt h ep r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) a n do d po fp a n n e mr e c o g n i t i o n t oa n a l y z e t h ew e i g h t so fp a r a m e t e r si n f u e n c i n gm i c r o s t r u c t u r e so fh i g hs t r e n g t hs h e e t ；t h e nt h eo d pf i g u r e a n dt h ek e yf a c t o r sa r eo b t a i n e d t h es y s t e mi sa c c e l e r a t e di nt h ep r e m i s eo fg o o da c c u r a c y 3 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o no fs t r u c t u r ea sw e l la sc o n t r o lo fs t r u c t u r ea r ep r o c e s s e d i nt h i sp a p e r t h er e l a t i o n s h i pa m o n gs t e e lc o m p o s i t i o n ，d e f o r m a t i o np r o c e s sp a r a m e t e r s a n d m i c r o s t r u c t u r ei sm o d e l e dt os i m u l a t et h ep r o c e s s i n ga n dt op r e d i c t et h es t r u c t u r ew h i l eo p t i m i z i n g p r o c e s s m g i i i l 江苏大学硕士学位论文 4 e f f e c t so fd e f o r m a t i o nc o n d i t i o n ss u c ha st e m p r e t u r ea n di n t e r v a l so nd i f ti ss y s t e m a t i c a l l y s t u d i e di nt h i sp a p e r l no r d e rt oq u a n t a t i v e l yc a l c u l a t et h ea c c u m u l a t i v ee f f e c to fm u l t i p l e - s t e p d e f o r m a t i o ni nm a t e r i a l s ，t h ec o n c e p to fe f f e c t i v ed e f o r m a t i o n ) i ss p e c i a l l yd e f i n e di nm u l t i p l e s t e p d e f o r m a t i o np r o c e s s i n g t h eo p t i m i z a t i o nd i r e c t i o no ft h ec o n t r o lf o ru l t r a f i n ef e r r i t eg r a i ni s q u a n t a t i v e l yc a l c u l m e di nt h i sp a p e r , w h i c hi sc o n t r o l l i n gt h ei n t e r v a lt i m eb e t w e e nt h es e c o n ds t e p d e f o r m a t i o na n dt h et h i r t ys t e pd e f o r m a t i o n ，a n di n c r e a s i n gt h et h i r t ys t e pd e f o r m a t i o n 5 w i t ht h ea b o v es t u d i e s ，m u l t i p l e - s t e pd e f o r m a t i o np r o c e s sw h i c hi s a v a i l a b l ef o ri n d u s t r y r o l l i n gi ss u c c e s s f i l l yd e v i d e df r o mb i gs i n g l e s t e pd e f o r m a t i o np r o c e s si nt h et h e r m a ls i m u l a t i o n e x p e d m e n tf o rs t e e l ，a n dt h ea p p l i a c t i o no fd i f ti si m p l e m e n t a t e do nt h ee x i s t i n gr o l l i n gm a c h i n e t of i n da sa l le c o m o n i c ，e f f e c t i v ea n df e a s i b l ew a yt om a n u f a c t u r ev e h i c l eu s i n gh i g hs t r e n g t h s h e e t k e yw o r d s ：s t r u c t u r ec o n t r o ls y s t e m ，h i g hs t r e n g t hs h e e t ，p a r t i a ll e a s t s q u a r e s ，u l t r a f i n e f e r r i t eg r a i n i v 江苏大学硕士 目录 第一章绪论1 l - l 超细晶粒的制备与应用2 1 1 1 极限热机械加工技术3 1 1 2 超大塑性变形法( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ) 3 1 1 3 材料制备工艺的数值模拟技术5 1 2 形变诱导相变技术5 1 3 课题的提出及研究目的7 1 3 1 课题的提出7 1 3 2 国内、外研究现状一8 1 3 3 本文的研究目的9 1 3 4 本文的主要工作1 0 第二章车辆用高强度板材组织超细化热模拟工艺试验1 3 2 1 超细晶粒钢制备试验方案1 4 2 2 单道次热模拟工艺14 2 3 单道次变形的实验结果与分析_ 1 4 2 3 1 变形温度对形变诱导相变的影响1 4 2 3 2 不同微合金元素含量对相变铁素体的影响1 5 2 4 多道次变形的实验结果与分析一1 7 2 4 1 不同间隔时间的变形工艺对晶粒尺寸的影响1 7 2 4 2 多道次变形间隔时间对细晶铁素体百分含量的影响矗1 8 第三章多道次热模拟工艺变形条件对d if t 的影响1 9 引言19 3 1 相邻道次软化率与有效变形对组织细化的影响一2 0 3 2 间隔时间对组织细化的影响2 3 3 3 试验室轧机试验2 6 3 3 1 试验室轧制试验方案2 6 3 3 2 轧制工艺对性能的影响一2 6 第四章车辆用高强度板材组织控制系统的设计j ：2 9 4 1 系统总体结构和模块功能设计2 9 4 1 1 系统的总体结构设计2 9 v 江苏大学硕士学位论文 4 1 2 各个子模块的主要功能设计3 1 4 2 本文系统设计的设计思路和开发工具3 l 4 2 1 系统的设计思路3 l 4 2 2 面象对象技术3 2 4 2 3 系统开发工具一3 3 4 3 系统建模步骤一3 5 4 3 1 材质控制系统输入输出空间的选取与确定3 7 4 3 2 数据的预处理3 7 4 3 3 最优判别平面方法( o d p 模块) 3 9 4 3 4 偏最小二乘方法( p l s 模块) 一4 l 4 3 5 工艺优化模块4 5 4 4 与主成分回归模型( p c a ) 的比较4 6 4 4 1 主成分回归模块4 6 4 4 2 建立主成分回归模型4 6 4 5 不同成分试验钢回归方程的建立4 8 4 6 试验结果分析4 8 第五章板材组织控制系统各模块的集成与实现5 1 5 1 试验数据库的设计与调用一5 l 5 1 1 建立数据库5l 5 1 2 创建表文件5 1 5 1 3 数据库的连接5 4 5 2 系统模块的集成与实现5 5 5 2 1 系统集成与实现步骤5 5 5 2 2 c o m 组件一5 6 5 3 系统界面设计与运行结果分析5 9 5 3 1 系统交互界面的设计5 9 5 3 2 系统运行与结果分析6 0 总结6 3 参考文献6 5 致谢6 9 在学期间发表的论文目录7 1 v l _ _ - _ _ _ _ _ i - _ i _ _ - _ _ - _ i - _ _ i 一 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来，汽车生产企业一直在努力开发诸如低价位、高性能和低重量的车型。 要满足这些要求，其最有效的方法就是开发适用于新车型的高强度板材即超细晶 粒钢板材。而对于广泛用于车辆板材的微合金钢晶粒超细化，科技工作者已进行 了大量的研究，其中最具应用价值的是形变强化相变技术。迄今为止，为了获 得组织的超细化，主要进行了实验室的研究。不同国家的材料工作者的许多研究 工作表明：利用形变强化相变技术，可在苛刻条件下使普通低碳钢的铁素体晶粒 细化到3 41 tm ；使微合金钢的铁素体晶粒细化到大约1um u 】。在形变诱导铁素 体相变方面，由于变形过程中铁素体相变速度很快，要获得超细晶铁素体的轧制 载荷要比普通轧制高3 0 ；对其机理有多种见解。这主要是因为超细晶粒钢的研 发工作目前尚局限于实验观察和一般性理论性探讨，很少能给出定量的模拟结 果，从而大大增加和延长了细晶材料的研发费用和研发周期。 随着计算机技术的快速发展，计算机模拟正成为研究金属组织变化的一个有 效工具，现已开始用于解决金属的晶粒长大、再结晶与力学性能的定量关系问题， 表明材料可由传统的经验设计逐步转变为定量的科学设计。 本研究旨在能够充分利用最新的细晶理论，对广泛应用于各工程领域的低碳 微合金钢，建立其超细晶制备过程现象的计算机模拟，对超细晶粒钢的生产加工 过程进行模拟，达到预测组织和性能以及优化成分及工艺的目的，亦即根据材料 的成分和制备工艺条件，通过计算来精确预测钢铁材料的组织和性能，从而反过 来对材料成分和工艺进行优化设计和材质控制。本项目拟建立的材质控制系统注 重运用遗传神经网络专家系统，以提高网络预报的精度。将细晶机理建模与人工 智能建模相结合，以提高适应更多钢种的灵活性。运用基于c o m ( c o m p o n e n t o b j e c tm o d e l ，组件对象模型) 技术进行系统的设计，使得该系统的设计和实现 更加符合现实的面貌。 从当前世界范围内对轧制过程中的相变研究以及组织性能关系的研究来看， 由于各国的成分控制及生产设备条件各不相同，因此，各国研究者得到的模型， 无论是相变组织模型还是晶粒长大模型和组织性能模型，也都不尽相同。因而， 这些模型的通用性不好，基本上都只适用于各国自己的钢种和实验、生产条件。 要建立适用于本国生产状况的材质控制系统，必须研究和建立自己的模型，尤其 江苏大学硕士学位论文 是对于中国这样的钢铁生产大国，此问题的解决就显得尤为迫切。在组织控制中 两个核心问题是结构一性能关系和制备工艺一性能关系。这两类关系都受到多种 因素的制约，故可用人工智能技术从已知试验数据集中总结出相应模型，并据此 预报未知材料的性能和优化工艺【2 1 。本文工作就是基于要探索建立适用于本国生 产状况的组织控制系统这一目标而展开的。 1 1 超细晶粒的制备与应用 钢铁材料自问世以来，一直作为人类使用的最主要的结构材料，钢铁材料的 发展历史，一直围绕提高强度和韧性来进行的。金属材料近几十年的演变，经过 了利用零维缺陷( 空位、间隙原子、固溶原子) ，一维缺陷( 位错) 和二维缺陷 ( 晶界、相界和层错) 来提高强度。在上述诸因素中，只有细化晶粒和晶界强韧 化才能既提高材料的屈服强度，又提高材料的韧断能力和断裂韧性。细晶强化可 用h a ll - p e t c h 公式【3 】描述： os _ oo + k d 。1 他 式中o 。是内摩擦力，k 为常数，d 为晶粒直径。 同时晶粒直径还决定了钢的韧脆转折温度，p e t c h 根据断裂应力与晶粒直径 的关系的研究，得出了公式【4 】： bt c = b l n d 1 儿 、 式中b 和b 为常数。 经研究【5 】，微米甚至亚微米级( 0 5um ) 的金属材料，强度和晶粒度仍服从 h a l l p e r c h 公式，材料从传统的细晶( 1 0um 或稍大) 细化到lum ，其强度可 提高一倍以上，如果再细化到0 51 1m ，则强度提高更多。当今工业生产的钢材 最细晶粒尺寸在1 0um 左右，在实验室可以将热轧钢板的平均晶粒尺寸细化至4 um 左右，人们认为，由于晶粒形核和长大过程的限制，通过接近工业化生产的 热轧工艺的晶粒细化到4um 以下的可能性不大。因为4l am 是晶粒细化的一个界 限，所以将4um 作为超细晶粒的一个划分界限。 纵观低碳钢晶粒细化问题的研究，大致可分为两个阶段。第一阶段是上世纪 六十年代初开始的以控轧控冷工艺为核心的热机械加工技术和相关理论问题的 研究。这一研究在七十年代达到高潮，进入八十年代有所减少，但一直延续至今。 这一阶段系统地研究了奥氏体的再结晶问题、微合金碳氮化物的溶解与析出以及 奥氏体再结晶的耦合关系、铁素体的形核和长大问题等，确立了末再结晶区控轧 江苏大学硕士学位论文 和再结晶控轧以及控制冷却工艺并在实际中大量使用。进入八十年代中后期特别 是九十年代以后，超细晶的制备技术和理论研究受到很大重视，先后出现了变形 诱导铁素体相变加工、极限热机械加工、超大塑性变形、多向变形等超细晶制备 新技术，铁素体晶粒细化到微米亚微米级，甚至纳米级。这是低碳钢晶粒细化问 题研究的第二阶段。上世纪九十年代后期世界上一些国家启动的“超细晶粒钢” 研究，将这阶段推向高潮。 1 1 i 极限热机械加工技术 极限热机械加工的概念是由日本“超级金属”研究项目首先提出的，目标是 获得1 岬左右的超细晶【6 7 1 。“极限”的含义是指变形温度远低于传统t m c p 温度， 而变形量( 道次变形量不低于0 7 ) 大于传统t m c p 变形量。极限热机械加工主 要指大过冷、大变形条件下的丫j a 相变。具体工艺是：将奥氏体以5 0 k s 快速冷 却到7 7 3 - 9 7 3 k ，然后施加大变形。通过这种方法，可以在低碳微合金钢中获得 尺寸小于1 岬的超细晶。文献把晶粒细化的原因归结为两点：一是低温下大的 p a 相变驱动力；二是低温变形奥氏体具有特殊的亚结构，这些亚结构是具有较 大取向差的变形微带，类似于大角晶界。上述两种因素导致铁素体的形核率大幅 度提高，细化了晶粒。 5 o 4 0 0 s 0 0 6 0 07 0 0已o o9 0 0 10 0 0 1 ) e f o r n a io nt e n d e ra l e ( ) 图1 1 铁素体晶粒尺寸和变形温度的关系 1 1 2 超大塑性变形法( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ) 这种方法是在室温或温加工温度下对材料施加超大塑性变形，变形中材料组 一巨遗一舢n一c 1-谚j一。lk 江苏大学硕士学位论文 织逐步细化，最终获得超细晶组织。采用的变形工艺主要有等通道转角挤压、累 积叠轧、表面机械研磨处理和高压扭转变形等。 1 ) 等通道转角挤压 试样在外力p 的作用下通过交角为中的等截面通道，每通过一次试样经历的 等效变形量箔击( 2 c o 侈纠+ 伊c o s e 侈现经多次挤压可产生超大变形 量【2 6 27 1 。早期的研究主要针对a l 及其合金，从1 9 9 8 年开始d h s h i n 等人陆 续发表了低碳钢方面的研究文章，系统地阐述了超细晶组织的形成机理、力学行 为和高温热稳定性。主要研究结果归纳如下【8 - 9 】： ( 1 ) 组织细化过程具有先快后慢的特点，最后逐步达到一稳态组织。经6 2 3 k 两道次变形，铁素体晶粒就可从3 0 1 工m 细化到0 4 9 m ；变形1 2 道次后，铁素体晶 粒可细化至0 2 p m 。同时，变形中铁素体晶界角逐步增加，由小角晶界转变为大 角晶界。 ( 2 ) 提高变形温度，铁素体晶粒尺寸增大。加入v 可进一步细化晶粒。 ( 3 ) f e 一0 1 5 c 钢超细组织在6 9 3 7 8 3 k 退火- d , 时，晶粒长大缓慢：高于 8 1 3 k 退火，晶粒迅速长大。 2 ) 累积叠轧 将板材从中心切成两片并进行表面清洗，叠合在一起，然后进行轧制，轧制 过程中板材连接为一个整体。上述过程经多次重复，就可获得超大变形量。这种 方法是由n t s u j i 等人首先提出的【l0 1 。针对钢的研究结果归纳如下： ( 1 ) 通过7 7 3 k 七道次( 道次压下率5 0 ) 轧制，可将i f 钢晶粒尺寸从2 7 1 a m 细化到0 4 2 p r o 。抗拉强度从2 8 0 m p a 提高的8 7 0 m p a ，而延伸率从5 7 下降到不足 1 0 。 ( 2 ) 轧制中铁素体发生从亚晶到晶粒的转变过程，铁素体细化机理为连续动 态再结晶。 3 ) 表面机械研磨处理 在高频振动器的作用下，不锈钢粒子反复高速冲击材料表面，使材料近表面 发生剧烈塑性变形，变形中晶粒逐渐细化，从而在表面形成一层纳米晶。这种方 法与传统的喷丸强化工艺很接近，但卢柯等人首次把它确立为一种纳米化技术并 进行了深入研究i l l 】。通过这种方法，可将q f e 晶粒从1 0 0 b t m 细化到1 0 n m 左右， 而对纳米晶表面氮化处理的研究表明，氮化温度可从传统的7 7 3 k 降低到5 7 3 k 。 4 ) 高压扭转变形 对试样施加压力p 的同时进行扭转变形，多次扭转可使材料获得超大变形 量。采用这种方法已将纯铁的晶粒尺寸细化到1 0 0 n m f l 2 】。但这种方法制备的材料 尺寸很小，仅能用作机理研究。 4 江苏大学硕士学位论文 1 1 3 材料制备工艺的数值模拟技术 材料制备过程，特别是微合金钢的制备过程，是极其复杂的高温、动态和瞬 时工程。为了获得优质的微合金钢，必须控制制备过程，使材料的成分、工艺、 组织与性能处于最佳状态。传统材料的工艺设计建立在“试错”基础上，合金设 计也常常以“炒菜”方式进行，很难体现出科学性。材料制备工艺的计算机模拟 经过3 0 年的发展，已经取得了很大的进展，通过数值模拟与物理模拟相结合的 方法，可实现对其制备工艺的优化控制，以达到预测组织和性能，优化工艺的目 的。 目前，材料制备工艺的计算机模拟主要采用有限元仿真分析，人工神经网络， 线性回归等方法实现，结合物理模拟和数值模拟，采用不同的计算方法，对材料 的组织，性能进行控制和优化。戴护民【1 3 】采用数值模拟、人工神经网络和遗传算 法进行板材成形工艺参数优化；潘江峰【1 4 】结合数值模拟和人工神经网络技术， 建立了板料拉深成形的加工参数与其成形质量之间的映射关系，均取得了较好的 优化结果。刘东【1 5 】结合物理模拟和数值模拟方法，指出了g h 4 1 6 9 合金热加工过 程中的主要显微组织演化过程是动态和亚动态再结晶，并建立了其过程的动力学 方程和晶粒尺寸演化模型，以预测和控制g h 4 1 6 9 合金锻件的组织性能。 1 2 形变诱导相变技术 变形诱导铁素体相变( d e f o r m a t i o ni n d u c e d f e r r i t et r a n s f o r m a t i o nd i f t ) 是指在钢的a e 3 温度附近施加变形，造成变形带的产生和畸变能的增加，影响 a r 3 点温度，使变形中奥氏体能量升高，稳定性降低，从而导致丫专a 相变。在未 再结晶区的变形造成了以位错、形变带和胞状组织等形式的应变积累奥氏体。应 变积累可以增加变形过程的形核位置，并且提高形核速率，因而提高了奥氏体向 铁素体的相变温度，加快了相变速率，细化了铁素体晶粒。这种相变技术是我国 科技工作者近几年的研究热点，亦是国家9 7 3 项目的核心研究技术，受到业界的 广泛关注。这种相变技术之所以引起人们的注意，一方面是因为它能获得超细晶， 另一方面是因为它与现有工艺流程相近，因而具有很好的工业应用前景。 形变诱导相变的影响因素很多，变形温度、变形量、变形道次、道次变形量、 应变速率等变形条件对变形诱导铁素体相变有很大的影响。 把化学成分为0 1 5 c - 1 1 m n 的钢在a r 3 点以上温度施以压下量为2 0 8 0 江苏大学硕士学位论文 的变形，铁素体晶粒度的变化情况见图2 。从图2 结果可见，随着压下量的增加， 铁素体晶粒尺寸变细，当施以6 0 的压下量时，应变诱导形成的铁素体晶粒尺寸 为2 4 - 4um 。由于应变诱导析出的铁素体晶粒直径随变形温度的降低而变小，当 形变温度接近于a r 3 点温度时，铁素体晶粒尺寸会更细。 图1 2压下量对铁素体晶粒尺寸的影响 采用宝钢生产的商业x 6 5 管线钢进行实验室应变诱导相变研究 0 0 9 4 c 一0 2 9 s i 一1 4 2 m n 一0 0 1 3 p 一0 0 0 5 s 一0 0 4 5 n b - 0 0 0 8 t i 0 0 0 3 8 n ，将 3 0 m m 厚的试验钢坯加热到1 1 7 0 c 奥氏体化并保温3 0 m i n 后，在实验室轧机上进 行诱导铁素体相变轧制，首先分别在1 0 0 0 c 和9 0 0 c 进行压下量为3 0 的变形， 掌 籁 条 娶 蕊 肇 搬 塔 2 昌 j 忉 、 爨 唱 釜 舔 捺 1 2 l o 变形道次 变形道次 图1 3 变形道次对超细组织形成的影响 6 伯的加m o 江苏大学硕士学位论文 然后在8 2 0 c 分别进行两道次、三道次、五道次的应变诱导轧制，压下量为 3 0 - 5 0 ，然后快速冷却到室温。研究结果表明，应变诱导相变轧制道次越多， 应变 诱导出的铁素体越多，铁素体平均晶粒尺寸越小( 见图3 ) 。 常。规轧制和应变诱导轧制相结合的工艺可以进一步细化铁素体晶粒，有研究 【4 3 】表明，在1 0 0 0 * c 和9 0 0 c 分别进行压下量为3 0 的变形后，再于8 0 0 。c 进行三 道次各5 0 的应变诱导轧制，铁素体体积分数可由单纯的8 0 0 c - - 道次各5 0 应 变诱导轧制的9 4 提高到9 8 ，晶粒尺寸也由1 0 6pm 细化到0 9 2l am 。 除了上述变形道次对形变诱导铁素体体积分数和晶粒尺寸的影响外，总变形 量和轧后的冷却速度也有影响。随着总变形量的增加，应变诱导铁素体的体积分 数增加，平均晶粒直径减小。有研刭1 6 j 表明，三道次应变诱导轧制的变形量分别 为3 0 、4 0 、5 0 时，诱导相变铁素体的体积分数分别为7 1 、8 5 、9 7 ，而平 均晶粒尺寸分别为1 2 2um 、1 0 4i lm 和1 1 61 tm 。由形变诱导产生的铁素体晶 粒的热力学很不稳定，晶粒长大驱动力很大，在变形后数秒钟就会急速长大，因 此，变形后应该快速冷却。 1 3 课题的提出及研究目的 1 3 1 课题的提出 随着计算机技术的飞速发展和材料领域理论研究和实验研究的重大突破，人 们基于成分、工艺、组织与性能的四面体模型，对车辆用超细化板材的制备、成 形过程进行物理模拟、数值模拟与组织性能预报工作，开发离线与在线的模拟系 统；可对其制备、成形的工艺结果和工艺过程实现预测和优化控制【- 2 。对于 普碳钢和微合金钢，通常考核其抗拉强度屈服强度和伸长率等力学性能，而性能 主要取决于钢的化学成分、晶粒尺寸、相的分数和关键的轧制与冷却工艺参数。 由于近年来物理冶金学理论和计算机技术的进步，建立组织性能的物理冶金模型 是可行的。 在热模拟过程中发生的y q 相变中，首先由化学成分求出相变平衡温度 h e 3 ，在低于h e 3 温度下，根据前期工艺试验数据，求出铁素体的形核率和长大 速度。为了与原有的热模拟试验工艺一致，将y s a i t 0 等的相变组织模型修正后 进行计算，修正值均采用以往的热模拟工艺数值及其组织、性能测试值，使得该 模块能在描述变形变形、变形速率、变形温度以及道次间隔时间的函数关系更加 精确。 y s a i t o 提出的微合金钢相变模型【2 l j ： h d e = 0 9 2 + 0 4 4 i n 口一o 7 7 i nc ，- 0 8 8 t a n h ( 1 - - a e ) 7 江苏大学硕士学位论文 p i e t r y k 建立的低碳钢相变组织模型【2 2 1 ： 见= 5 7 x n 0 6 4x c ，卸2 6 s e l l a r s 等建立的c m n 钢相变组织模型【2 3 】： 岛= l1 7 + 0 1 4 x d r + 3 7 4 x c ，_ o 5 未知参数采用以往的热模拟工艺参数值及其组织、性能测试值，可利用上述 的数学模型进行不同钢种的相变后铁素体晶粒尺寸的计算和分析 物理模拟及数值模拟是使材料的制备、成形研究由“经验”走向“科学”， 由“定性”走向“定量”的桥梁。物理模拟可以省时、经济、高效地揭示新的高 性能材料研制及其成形加工过程中材料组织及其性能的变化规律；数值模拟可以 描述与设计许多无法用实验方法去展示的科学问题。基于计算机信息处理技术的 建立和发展，数值模拟技术已成为材料制备及其成形领域的一个重要的学科方 向，成为2 l 世纪材料研究领域虚拟制造技术的主要方法和手段之一，有时甚至 是唯一的研究手段。由此可实现对高性能材料制备、成形的组织性能预测及其优 化控制，带来显著的经济效益与社会效益。 因此，世界各国都非常重视物理模拟和数值模拟技术的开发与应用，其将逐 渐发展成为2 l 世纪钢铁材料研究的主要方法和手段之一。 1 3 2 国内、外研究现状 最初提出对材料微观结构进行控制的是从事轧钢领域研究的学者们。 s e l l a r s 和w h i t e m a n 首先提出了碳钢热轧过程中的微观结构演变模型。 j s c h u n g 等采用微观遗传算法对非等温变形过程中进行了模拟与优化，通过控 制成型工艺来获得产品中均匀的温度分布以实现均匀微观组织结构。z g a o 等采 用灵敏度分析方法在预成形模具形状设计的基础上，考虑了复杂的再结晶机理， 如再结晶、部分再结晶和完全再结晶等，推导了关于设计变量的再结晶体积百分 比和动态再结晶晶粒大小的灵敏度分析方程，实现了微观结构的优化设计【2 4 _ 2 5 1 。 德国西门子开发的在线性能预报与控制软件：把物理模型与神经网络结合在 一起的用于计算热轧金属抗拉强度的软件。通过监测在热轧和冷却过程中采集到 的数据，就可以直接进行性能质量预测及控制。据文献报道，使用该系统后，按 热轧带钢年产量1 2 0 万t 的碳钢抗拉强度检测的数量，仅此一项每年可以节约 1 8 万欧元( 1 9 8 万人民币元) ，检测费用降幅达4 0 【2 6 j 。 韩国的浦项( p o s c 0 ) 于2 0 0 2 年建立的热轧板的力学性能预测与控制系统采 江苏大学硕士学位论文 用回归算法计算力学性能，与实际的结果相比，其抗拉强度，屈服强度