（机械电子工程专业论文）超细晶粒钢制备组织性能预测系统的设计.pdf

超细晶粒钢制备组织性能预测系统的设计 t h e d e s i g no f ap r e d i c t i o ns y s t e mf o rt h es t r u c t u r e a n d c a p a b i l i t yo f u t r a f i n eg r a i ns t e e lp r e p a r a t i o n 专业名称 指导教师姓名 机械电壬王猩 李新堪 研究 生郭 江苏大学 2 0 0 6 年4 月 少 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密d 在乡年解密后适用本授权书。 不保密口。 字位论又作者签名：专p 孕 。6 年6 月易日 宿删巾龇锄蛾 加么年彳月y 日 j - 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：专广舀 日期：d 叼6 年占月ge l ，i l 江苏大学砍士学位论文 摘要 近年来，研究开发以超细晶为特征的新一代钢铁材料，已经成为当今钢铁 材料学科发展的一个重要方向。研究工作表明：利用应变强化相变技术，可获 得低碳微合金超细晶粒钢。但在应变强化铁素体相变时，由于相变速度很快， 对其机理有多种见解。这是因为超细晶粒钢的研发工作目前尚局限于试验观察 和一般性理论性探讨，很难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。 本研究在江苏省高校自然基金重点项目资助下，充分利用前期工作的成果， 同时结合我国超细晶粒钢钢种研发现状，提出了适合钢铁企业生产现状的超细 晶粒钢制备组织性能预测系统。 该系统通过神经网络及遗传算法并结合超细晶粒钢制备热模拟试验与轧 机试验的工艺参数建立组织性能预测系统，以达到预测超细晶粒钢组织和性能 及优化成分和工艺的目的。 主要研究内容和创新点有： 1 首次将钢的细晶机理建模与遗传神经网络建模相结合建立组织性能预 测系统，可将系统由传统单一的数字驱动提升到更为科学合理的机理驱动，因 而具备适应更多钢种的灵活性。 2 利用细晶理论知识与前期工作积累的部分超细晶粒钢制备工艺数据，建 立了试验数据库与模型参数库。 3 利用遗传算法对神经网络模型中的权重进行优化，同时运用遗传算法强 大的搜寻功能，得到特定条件下模型的最优解。 4 在热模拟试验组织预测中，以制备工艺参数为输入参数，以超细晶铁素 体晶粒尺寸及其百分含量为输出参数进行热模拟试验组织的预测。 5 在轧机试验的性能预测中，以轧机工艺参数为输入参数，进行了屈服强 度、断后伸长率、冲击韧性的预测，并确定最优工艺。 6 根据大量的试验数据训练遗传神经网络模型，最后通过非样本数据来验 证模型的有效性。 江苏大学硕士学位论文 预测结果显示，该系统能对超细晶铁素体的晶粒尺寸、超细晶铁素体的百 分含量、屈服强度、断后伸长率、冲击韧性进行较准确的预测，故该系统可用 于钢种研发的离线应用。 关键词：超细晶粒钢，神经网络，遗传算法，预测 1jl，o。j 弋气 江苏大学硕l 学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，i th a sb e e nat r e n di nt h ef i e l do fs t e e lm a t e r i a lt od e v e l o pa n e wg e n e r a t i o no fs t e a lm a t e r i a lw h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yu t r a f i n eg r a i ns t e e l a c c o r d i n gt o t h er e s e a r c h ，m i l dm i c r o a l l o yu t r a f i n eg r a i ns t e e li sa v a i l a b l e t h r o u g he m p l o y i n gs t r a i ne n h a n c e dt r a n s f o r m a t i o n h o w e v e r , i nt h ep r o c e s so f s t r a i ne n h a n c e dt r a n s f o r m a t i o n ，v a r i o u su n d e r s t a n d i n g se x i s ta st ot h em e c h a n i s m o fi t t h a ti sb e c a u s et h es t u d yo fu t r a f i n eg r a i ns t e e l i ss t i l la tt h es t a g eo f e x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o na n dg e n e r a l i z e dt h e o r e t i c a le x p l o r a t i o n ，w h i c h c a n h a r d l yl e a dt oq u a n t i t a t i v es t i m u l a t e dr e s u l t sa n d t h e r e f o r er a i s e st h ec o s to ft h e r e s e a r c ha n d p r o l o n g st h ee x p e r i m e n t a lc y c l ea sw e l l m a k i n gf u l lu s eo f t h ea c h i e v e m e n t so fp r i m a r yr e s e a r c h e sa n dc o m b i n i n gt h e e x p l o r a t i o n so fu t r a f i n eg r a i ns t e e l i nc h i n a , t h i ss t u d y , f i n a n c e db yn a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fj i a n g s ui t e m ，p u t sf o r w a r dt h e u t r a f i n e g r a i n s t e e l p r e p a r a t i o n s t r u c t u r ea n dc a p a b i l i t yf o r e c a s ts y s t e mw h i c hs u i t s t h ec u r r e n t s i t u a t i o no fs t e e li n d u s t r y t h i ss y s t e ms e t su ps t r u c t u r ea n dc a p a b i l i t yf o r e c a s ts y s t e mb ye m p l o y i n g n e u r a ln e t w o r ka n dg e n e t i ca l g o r i t h ma n dc o n s u l t i n gt e c h n i c sp a r a m e t e ro f u t r a f i n e g r a i ns t e e lp r e p a r a t i o ni n t h e r m a ls i m u l a t i o na n dr o l l i n g ，a i m i n ga t p r e d i c t i n g t h es t r u c t u r ea n dc a p a b i l i t yo fu t r a f i n eg r a i ns t e e l ，o p t i m i z i n gt h e s t r u c t u r ea n dt e c h n i c s m a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i o n s ： 1 u t r a f i n em e c h a n i s mm o d e la n dn e u r a ln e t w o r k a n dg e n e t i ca l g o r i t h m m o d e la r ec o m b i n e dt os e tu p s t r u c t u r ea n dc a p a b i l i t yp r e d i c t i o ns y s t e m ，w h i c h i m p r o v e st h et r a d i t o n a ls y s t e mf r o ms i n g e ln u m e r i cd r i v et om e c h a n i s md r i v e ， w h i c hi sm o r es c i e n t i f i c a l l yr e a s o n a b l ea n dm o r ef l e x i b l es ot h a ti ti ss u i t a b l et oa l a r g e rn u m b e ro fs t e e lg r a d e s 2 b a s e do nk n o w l e d g eo f u t r a f i n ea n dt h et e c h n i c sd a t ao fu t r a f i n eg r a i ns t e e l p r e p a r a t i o ni nt h e r m a ls i m u l a t i o no fp r i m a r yr e s e a r c h e s ，e x p e r i m e n td a t a b a s ea n d ilil卜l-i【_l二 江苏大学硕士学位论文 m o d e lp a r a m e t e rd a t a b a s eh a sb e e ne s t a b l i s h e d 3 i to p t i m i z e st h ew e i g h to fn e u r a ln e t w o r kb y g e n e t i ca l g o r i t h m ，a tt h es a m e t i m eu s et h es t r o n gs e a r c hf u n c t i o no fg e n e t i ca l g o r i t h ma n da c q u i r et h eo p t i m i z e d m o d e la tac e r t a i nc o n d i t i o n 4 i nt h ep r e d i c t i o no ft h e r m a ls i m u l a t i o ns t r u c t u r e ，b yt h ei n p u tp a r a m e t e rf o r p r e p a r a t i o nt e c h n i c sp a r a m e t e r ，a n dw i t ht h eo u t p u tp a r a m e t e ro fu l t r a f i n eg r a i n s t e e lf f i n ed i m e n s i o na n dc o n t e n tf f i n e t op r e d i c tt h eu l t r a f i n e g r a i ns t e e l t h e r m a ls i m u l a t i o ns t r u c t u r e 5 1 nt h ep e r f o r m a n c ep r e d i c t i o no f r o l l i n ge x p e r i m e n t ，b yt h ei n p u tp a r a m e t e r f o r r o l l i n gt e c h n i c sp a r a m e t e r , q 3 s 、5 、a kh a sb e e np r e d i c t e d ，a l s ot h eb e s tt e c h n i c h a sb e e nd e t e r m i n e d 6 g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 一a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) t r a i n i n gh a sb e e n d o n ea tt h eb a s eo fa b u n d a n te x p e r i m e n t a ld a t a a tl a s t ，n o n - s w a t c hd a t ai su s e dt o v a l i d a t et h ev a l i d i t yo ft h em o d e l t h er e s u l ti st h a t ，t h ep r e d i c t i o no fu l t r a f i n eg r a i ns t e e lf f i n ed i m e n s i o n 、 c o n t e n tf 巧眦、a s 、6 、a ki sn i c e t y s ot h es y s t e mc a nb eu s e dt or e s e a r c ha n d d e v e l o pt h ev a r i e t yo fs t e e lo u to ft h ep r o d u c tl i n e k e y w o r d s ：u t r a f i n eg r a i ns t e e l ，n e u r a ln e t w o r k ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，p r e d i c t i o n l v 1 、 一i 鱼 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4 5 4 2 系统模型的程序实现4 5 4 2 1 遗传算法优化神经网络程序的实现4 5 4 3 系统开发环境及界面设计4 7 4 3 1 系统开发环境4 7 4 3 2 系统界面设计4 7 第五章系统的运行试验与结果分析4 9 5 1 系统模型的设置4 9 5 1 1 学习模型的设置4 9 5 2 2 预测模型的设置5 0 5 2 热模拟试验组织预测5 0 5 2 1 数据的预处理5 0 5 2 2 输入输出节点数5 1 5 2 3 隐层及其节点数的选择5 1 5 2 4 遗传算法对神经网络权重的优化| 。5 2 5 2 5 预测模块及预测结果5 5 5 3 轧板力学性能预测二5 6 5 4 工艺优化结果5 8 第六章总结6 0 致谢6 3 参考文献6 4 、 攻读硕士学位期间所获得的相关成果奖励目录6 7 ， 一 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 超细晶粒钢的制备及应用 1 1 1 超细晶粒钢的制备 钢铁是国民经济的基础材料，多年来人们为提高钢铁材料的使用性能开 展了广泛深入的研究工作。经研究和生产实践表明只有钢铁材料的组织细化 技术是同时提高其强度和韧性的最为有效途径l l 】。对于微米级的钢铁材料， 其强度和晶粒度仍服从传统的h a l l p e t c h 公式。材料从传统的超细晶( 10p 1 1 1 或稍大) 细化到1um ，其强度可提高一倍以上，并使钢的韧脆转变温度 下降到2 0 0 以下，将显著地改善钢的韧性1 2 j 。 近年来，关于钢的晶粒细化已有大量的研究工作，主要有利用控扎控冷 技术以及利用n b 、t i 及a j 等析出物细化奥氏体晶粒 3 1 。但大量的研究表明， 通过奥氏体晶粒细化使铁素体晶粒细化，其尺寸存在极限值( 约为1 0 1 - 1m ) 。 近几年的许多研究通过应变强化相变和铁素体再结晶机制为基础，辅以其它 技术手段( 超洁净、电磁场) 等，所获得的铁素体晶粒尺寸可达2um 以下。 日本在1 9 9 7 年启动了研究周期为1 0 年的“s t x 一2 1 超级钢铁材料计划 ，其 目标是开发1um 级超细晶粒结构钢，以把现有结构钢的屈服强度提高一倍 以上，同时保证韧性不降低；韩国在1 9 9 8 年提出了为期1 0 年的“高性能结 构钢计划 ，将1pm 级超细晶结构用钢的开发及应用技术作为目标，要求与 常用钢相比，强度和使用寿命为其两倍并提高其焊接性能。我国也于1 9 9 9 正式启动了“新一代钢铁材料重大基础研究”项目( 9 7 3 项目) ，其目的是通 过利用各种技术对传统的钢铁材料进行处理，使其韧性和使用寿命比现有材 料提高一倍，但价格的提高不大于6 0 ，以此挖掘钢铁材料的潜力，并使机 械零部件向轻、小型化方向发展【4 6 1 。 提高材料强度的方法有很多种，但晶粒细化是唯一既能提高强度又能改 善韧性的方法i 。因此，超细晶钢制备是当前材料研究工作的热点问题。根 据h a l l - p e t c h 关系l 7 1 ，低碳碳素钢的屈服强度从2 0 0 m p a 级提高到4 0 0 m p a 级，其铁素体品粒尺寸应细化至3 - s g m ：对于微合金钢，其屈服强度从目前 江苏大学硕士学位论文 的4 0 0 m p a 级提高到8 0 0 m p a 级，铁素体晶粒应细化至1 p m 或更小。 为了细化晶粒，钢铁工作者进行了很多工作，提出了许多加工热处理的 理论，在以奥氏体向铁素体转变为对象的研究中，为了细化铁素体晶粒，必 须产生尽可能多的晶核来增大形核场的密度和提高形核速度。方法有四种： 一是加快冷却速度，二是细化母相奥氏体晶粒，三是在加工状态下使奥氏体 相变，四是使适量的析出相和夹杂物在奥氏体晶粒内均匀分布1 3 l 。采用再结 晶细化时，再结晶形核场密度越高、驱动力越大越好，再结晶的优先形核场 在不均匀变形区，具体地说，是在晶界附近、晶粒内的变形带、大的夹杂物 颗粒等第二相附近等部位。因此，初始晶粒越小，加工率越大，再结晶晶粒 越细小，尤其是提高加工率，可同时增加优先形核场的密度和驱动力，因此 是细化奥氏体晶粒最有效的因素。 ( 1 ) 早期超细晶粒钢的制各工艺 为了获得超细晶粒钢( 小于1 0 um ) ，在8 0 年代主要开发和应用了控轧控 冷工艺。后来开发了把控轧技术和控制奥氏体铁素体相变的快速冷却技术相 结合在一起的t m c p ( 热处理高张力钢板) 生产工艺，显著地提高了结构钢 的焊接性能和强度一韧性的匹配。但是t m c p 技术是在低温下进行控轧操作， 生产率很低。后来为克服t m c p 工艺的缺点，又开发了再结晶控轧工艺【8 9 1 。 再结晶控制轧制是在未再结晶区采用强压下的方式进行材料加工，该技 术的发展背景是将奥氏体晶粒细化到小于1 5l lm 时，铁素体晶粒可不受相变 前奥氏体晶粒的影响，其晶粒为9 1 0 pm d o 。 但是，采用上述的工艺仅能获得l opm 左右的铁素体组织，要获得更小 的晶粒，特别小于4pm 的超细晶粒，就必须采用机理截然不同的新工艺。 ( 2 ) 细化晶粒的新工艺 1 )大压下快冷技术 发生奥氏体铁素体相变时，在奥氏体晶界和奥氏体晶内的变形带上形成 铁素体形核点，将其两场所的界面合起来称为形核有效界面，而有效界面的 大小决定了最后晶粒的直径，有效界面的面积随压下量的增加而加大。这是 因为奥氏体形状被压扁变薄，界面面积增大。同时在晶内的变形带的数量也 增大，使形核点增加。1 2 】。 一 江苏大学硕士学位论文 长道常昭研究了不同成分的四种钢采用大压下量急冷技术后钢板的铁素 体晶粒1 13 1 。其大压下量热轧急冷对钢板晶粒尺寸的影响见图1 1 。从图1 1 结 果可见，钢a 、钢b 、钢c 的晶粒尺寸减小了一半以上，钢d 的晶粒直径有 所减小，但幅度不是太大。 钢a钢b钢c钢d 钢的种类 图1 1大压下量热轧、水淬对钢板晶粒尺寸的影响 f i g1 1t h ei n f l u e n c eo fh o t - r o l la n dw a t e r - q u e n c h i n gi ng r e a te x t r u s i o nt ot h ea r r n o r p l a t e 2 ) 形变诱导相变 在奥氏体未再结晶区变形后造成变形带的产生和畸变能的增加，影响a r 3 点温度，从而促进铁素体相变的发生，这种情况就是形变诱导相变。 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。 8 0 年代末期，日本的y a d a 等发现了应变诱导相变和铁素体动态再结晶获 得超细铁素体的方法。利用该方法，y a d a 等在试验室模拟轧机上将c m n 钢的 铁素体晶粒细化到2 3i lm 。其后，韩国的l e e 等利用该技术将c - m n - n i - n b 钢的铁素体晶粒细化到1 1l am ，澳大利亚的h o d g s o n 等将普通的n b - t i 复合 微合金化钢的铁素体晶粒细化到1 oui l l 。1 9 9 8 年，在国家攀登预选b 项目一 新一代微合金高强高韧钢研究试验中，钢铁研究总院通过两道次应变诱导轧 制，获得了铁素体体积分数近8 0 ，晶粒尺寸小于1 0um 的超细组织高洁净 ( n + o + p + s = 8 0 p p m ) 的n b t i 复合微合金化钢1 14 1 。 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 - - - 4l am 。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， 巧 加 蝎 加 5 o 乍t 1 v 分眨梨咯 江苏大学硕士学位论文 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。 3 ) 多向变形技术 作为通过相交得到超细晶粒的另一个问题，是转变相和母相间的晶粒取 向的变形问题。如果相变核具有相同的变形( 即相同晶向) ，则即使有大量的 微细核生成，长大聚集后也只形成小角度晶界，它们的集合体成为一个大的 晶粒，不能得到微细晶粒。 当施加多方向变形时，使结晶取向不同的各晶粒都发生均匀变形，可获 得晶粒大小均匀、具有大倾角晶界的铁索体组织。而且这种加工方法可比单 向变形工艺进一步提高金属内部的变形聚集度，促进了奥氏体铁素体相变， 从而加速铁素体的形核速度，并强制引发晶内湍流，达到破碎晶粒的作用。 最近，对试样直接施加变形的e c a p ( e q u i - c h a n n e la n g u l e rp r o c e s s i n g ) 方案引起了人们的关注【1 5 1 。对试样进行反复的e c a p 处理后，在相变初期形 成的变形应力逐步地聚集，使晶界厚度显著增大，从而形成1 0 0 - 一1 5 0 n m 的 相当细微的晶粒。 4 ) 强磁场技术 强磁场也与温度、压力、化学成分等因素一样，是影响金属相变的主要 因素。在温度、压力和磁力场恒定条件下，钢的奥氏体铁素体相变温度与磁 场强度的关系可用如下方程说明： ag = 一s d t + v d p m d h 式中，a g 为吉布斯自由能的变化值，s 为熵，t 为绝对温度，p 为压力，m 为磁化量，h 为磁场强度。从方程式可知，随着磁力场的加强，吉布斯自由 能降低，从而提高a r 3 温度。加快了铁素体的相变速度 1 6 】。 强磁场下a r 3 温度上升的现象表明可从如下两个方面将此技术用于铁素 体晶粒的细化过程：1 ) 在热轧过程中采用间断施加磁场的方法改变a r 3 点温 度，反复进行奥氏体铁素体相变，可促进铁素体晶粒的细化。2 ) a r 3 点温度 的上升现象可增大冷却时从奥氏体相中发生铁素体相变的驱动力，即可获得 与增大过冷度时的相同效果。 1 2 应变强化相变技术 不同温度范围因应变产生的铁素体有一定差异，t l 女i a 3 以上没有形变时铁 、 _ 江苏大学硕士学位论文 素体是不可能出现的，形变使铁素体诱导析出，随保温时间的延长，铁素体会 逆转变为奥氏体，这是真正的应变诱导相变。而a 3 - a r 3 温度之间的形变，奥氏 体是亚稳的，形变只是将铁素体产生的时间大大提前，铁素体是稳定的，随保 温时间的延长。铁素体将长大，这时是应变强化相变( s t r a i ne n h a n c e d t r a n s f o r m a t i o n ) 1 1 7 】。 应变强化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形变诱导铁素体相变有很大的影响。另外，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，铁素体百分含量 增加，平均晶粒直径减小。 我国主要采用应变强化相变技术，这主要是因为该技术所采用的工艺及 设备与钢铁企业生产现场吻合程度较高，因而具有很强的工程应用价值。 1 3 课题的提出及研究目的 1 3 1 课题的提出 自上世纪9 0 年代以来，材料科学理论的模型化和数值化使材料科学计算 的系统化、集成化成为可能，这促成了材料由经验设计向定量科学设计的革 命性发展。欧、美、日等国家的材料科学工作者己在利用材料科学计算系统 设计有色金属，陶瓷，复合材料，半导体，甚至“复杂的，影响因素众多的 钢铁材料【1 8 - 2 0 1 。这样的计算设计系统能够综合描述材料成分，材料制造、加 工工艺过程，材料组织，以及材料性能间的关系。设计的材料性能可包括强 度、韧性等。 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a m 在低于a 。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 o 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、变形速率、变形温度以及道次间隔的函数关 系更加精确。 y s a i t 0 提出的微合金钢相变组织模型： l nd 。= 0 9 2 + 0 4 4 i nd ，一o 7 7l nc y 一0 8 8 + a 。h ( 10 如) 江苏大学硕士学位论文 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。不同钢 种利用与上述公式类似的数学模型可以进行相变后铁素体晶粒尺寸的预测。 计算机信息处理技术的建立和发展，特别是人工智能技术的发展，形成 了一门新的学科一计算材料学，这使得人们能将材料科学特别是超细晶粒钢研 制中的理论与大量的试验数据相结合，为材料的设计与制备提供了条新的 行之有效的方法1 2 1 j 。 计算材料学是个系统工程，材料科学理论为其提供了多层次的计算模 型服务与设计材料组织、性能的各子系统。各子系统往往将物理模拟和数值 模拟有机地结合在一起。物理模拟及数值模拟使材料科学研究由“经验”走 向“科学 ，由“定性”走向“定量 的桥梁。物理模拟可以省时、省钱、 高效地揭示新材料研制及其热加工过程中材料组织及性能的变化规律；数值 模拟可以描述与设计许多无法用试验方法展示的科学问题。 目前，我国己引进世界上最先进的g l e e b l e 材料热力模拟试验设备近3 0 台，每台单价高达3 8 0 万元。同时，还有日本、英国、法国、荷兰以及国产 的物理模拟试验机1 0 0 余台，为推动计算材料学在我国钢铁材料制造业的应 用发挥了重要作用，给科研及生产带来了显著的经济效益与社会效益【2 2 乏4 1 。 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 国外无论是采用统计的方法还是人工智能方法，在精确的微观结构模型 的基础上用线性回归的方法建立的结构一性能模型和神经网络所能达到的精 度不高。同时借助线性回归模型，使用统计方法必须具有大量的数据来源以 保证数据的分析和模型的开发。 德国西门子开发的在线性能预报软件：把物理模型与神经网络结合在一 起的用来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。由于是物理模型和神经网络的结 合，因此，使用该方法要比用统计公式来决定物理性能要准确的多1 2 孓2 6 j 。奥 钢联于2 0 0 0 年开发了v a i q 热轧模拟软件，用于7 机架的带钢连轧机上。该 软件的应用大大减少了总产量为9 0 万吨的碳钢抗拉强度检测的数量，仅此一 6 江苏大学硕士学位论文 项就可节约18 万欧元1 2 7 】。韩国的浦项( p o s c o ) 于2 0 0 2 年将热轧板的力学 性能预测系统看成两个系统，该系统采用回归算法计算力学性能，与实际的 结果相比，其抗拉强度，屈服强度的标准差分别为1 1 m p a 和】8 6 m p a l 2 s 】。 中国科学院金属研究所、钢铁研究总院和东北大学在国家9 7 3 项目的支 持下，利用神经网络技术开发了r o l l a no nl i n e 的传统热轧过程组织性能预 测软件，并在鞍钢17 8 0 线上试用，北京科技大学及中科院上海冶金所的两位 博士研究生采用了神经网络方法开展了工艺模拟与预测工作的研究【2 9 - 3 0 。但 是目前主要的工作停留在：基于国外开发的基本公式，进行回归分析，形成 对某一钢种的半经验公式；从基本原理出发进行回归，得到某钢种的性能预 报公式。 因此，在未来几年，此项工作的重点将是提高系统的通用性，提高预测 精度，扩展钢种和规格。现有的预测模型尚能较好的预报抗拉强度和屈服强 度，但伸长率的预测精度较低【3 1 1 ，原因是伸长率不仅取决于相分数，晶粒度， 还取决于卷曲温度，精轧温度等工艺参数，甚至强度的影响。但是无论如何， 组织性能预测及材质控制系统的设计与实现将是提升钢铁行业水平的一个重 要标志，将会受到钢铁行业的日益重视【3 2 】。 1 3 3 本课题的研究目的 研究表明：利用应变强化相变技术，可获得低碳微合金超细晶粒钢。但 是应变强化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形变诱导铁素体相变有很大的影响；加之在应变 强化铁素体相变时，由于相变速度极快，对其机理有多种见解。这是因为超 细晶粒钢的研发工作目前尚局限于试验观察和一般性理论性探讨，很难给出 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。 本研究在江苏省高校自然基金重点项目( 0 4 k j a 4 3 0 0 2 1 ) 资助下，充分 利用前期工作的成果，同时结合我国超细晶粒钢钢种研发现状，首次提出了 适合钢铁企业生产现状的超细晶粒钢制备组织性能预测系统1 3 3 】。 本研究旨在充分利用最新的超细晶理论，建立超细晶粒钢制备的组织性 能计算机预测系统，以达到预测组织性能以及优化成分和工艺的目的。将人 工智能预测技术引入超细晶粒钢的研发和加工领域，以期大幅度缩短研发周 江苏大学硕士学位论文 期和降低研发费用，利用理论分析和模拟工艺可以在无实物消耗的情况下提 供大量信息以解决钢铁材料研究领域中传统的“炒菜”方式所带来的种种弊 端。 1 3 4 本研究所做的工作 针对超细晶粒钢制备的工艺过程、特点，以及对系统提出的要求，本文主 要做了以下几个方面工作： 1 首次将钢的细晶机理建模与遗传神经网络建模相结合建立组织性能预 测系统，可将系统由传统单一的数字驱动提升到更为科学合理的机理驱动， 因而具备适应更多钢种的灵活性。 2 为了获得超细晶粒钢组织性能预测的数据，在试验室中采用应变强化相 变进行了部分超细晶粒钢热模拟制备试验以及试验室轧制试验。 3 利用细晶理论知识与超细晶粒钢制备工艺数据，建立了试验数据库与模 型参数库。 4 利用遗传算法对神经网络模型中的权重进行优化，同时运用遗传算法强 大的搜寻功能，得到特定条件下模型的最优解。 5 在热模拟试验组织预测中，以制备工艺参数为输入参数，以超细晶铁素 体晶粒尺寸及其百分含量为输出参数进行热模拟试验组织的预测。 6 在轧机试验的性能预测中，以轧机工艺参数为输入参数，进行了屈服 强度、断后伸长率、冲击韧性的预测，并确定最优工艺。 7 根据大量的试验数据训练遗传神经网络模型，最后通过非样本数据来验 证模型的有效性。 江苏大学硕士学位论文 第二章超细晶粒钢的制备试验 2 1 超细晶粒钢制备试验方案 采用q 2 3 5 钢的中限成分作为基础成分，调整钢中的钒含量和铌含量( 表 2 1 ) 。试验钢在北京钢铁研究总院2 5 k g 真空感应炉冶炼，变形奥氏体向铁素体 转变的平衡转变温度a e 3 点温度采用瑞典皇家工学院软件t h e r m o c a l c 得出。 表2 1试验钢化学成份及a e 3 点温度 t a b l e2 1t h ec h e m i s t r y c o m p o s i t i o n a n dt h e t e m p e r a t u r eo fa e 3p o i n to ft h e e x p e r i m e n t a t i o ns t e e l 序号化学成分 a e 3 点温度， c s im nspvn bn 对比钢0 0 8 60 1 60 5 70 0 0 70 0 110 0 0 3 5 8 6 2 0 0 2 v0 0 8 80 170 5 70 0 0 50 o l00 0 2 40 0 0 2 68 6 3 0 0 6 v0 0 9 10 18o 5 60 0 0 50 0 0 8 90 0 6 40 0 0 2 78 6 6 0 1 1 v0 0 8 60 1 70 5 60 0 0 60 0 0 9 60 1 10 0 0 6 68 7 1 0 14 v0 0 8 90 2 0o 5 80 0 0 60 0 0 9 40 】40 0 0 6 38 7 3 v - n b0 0 8 8 0 1 70 5 50 0 0 60 0 0 9 70 0 7 00 0 2 70 0 0 3 4 8 6 9 首先在热模拟g l e e b l e - 2 0 0 0 上研制出铁素体百分含量大于等于7 0 0 , 6 ，晶 粒尺寸小于等于4ui l l 的低碳微合金超细晶粒钢。然后在此基础上进行横列式 轧机试验以探索大工业生产超细晶粒钢工艺。 2 2 热模拟试验 2 2 1 热模拟试验工艺 1 单道次工艺 试验前，先将试验钢锻成巾1 4 m m 的圆钢，然后再加工成尺寸为巾8 1 2 4 m m 的压缩试样，然后再在武汉钢铁技术中心的t h e r e c m a s t o r z 型 热模拟试验机上进行热模拟试验。 单道次压缩变形的工艺示意图见图2 1 ，图中变形温度t 分别为8 5 0 、 8 1oo c 并s7 6 0 ，变形量分别是2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 署u7 0 ，变形 速率为5 0 s 1 ，除一个工艺( 变形温度为8 1 0 、变形量为7 0 ) 变形后分 别保温5 s 、1 0 s 、3 0 s 、6 0 s 、3 0 0 s 后再水冷外，其它工艺为变形后立即水冷至 室；品。 9 江苏大学硕士学位论文 一 j 厂、 u u 越 娼 时间( t ) 图2 1 单道次变形工艺小意图 f i g2 1s i n g l es t e ps h a p i n gt e c h n i c ss k e t c hm a p 2 多道次工艺 多道次工艺的试验钢材料及试验设备同单道次。多道次压缩变形的工艺 示意图见图2 2 。在进行多道次变形热模拟试验时，模拟试验设计的变形道次 刀4 退伙 见表2 2 。 j 一 u v 赵 蝎 时间( t ) 图2 2 多道次变形的工艺示意图 f i g 2 1m u l t is t e ps h a p i n gt e c h n i c ss k e t c hm a p 表2 2多道次热模拟变形的工艺参数 t a b l e2 2p r o c e s sp a r a m e t e ro fm u l t is t e pt h e r m a ls i m u l a t i o n 工 第一道次变形第二道次变形第三道次变形 第四道次变形 艺变形变形变形问隔变形变形变形间隔变形变形变形i - l 隔变形变形j 蟛 编 温良量麟 时间温度 里速率时问温度 里速率 日寸间温度量 速率 号s ls 一 s 一 s 一 l8 0 03 05 01 5 7 7 0 2 55 0l7 4 0 2 07 0 o 7 57 1 01 07 0 28 5 03 0 5 0 1 58 2 02 05 01 7 9 0 2 07 0o 7 57 6 0l o7 0 38 5 03 05 038 2 02 05 027 9 02 07 01 57 6 01 0 7 0 4 8 5 03 05 058 2 02 05 0 1 7 9 0 2 0 7 037 6 0i o 7 0 l o 2 2 2 试验结果及分析 ( 1 ) 单道次情况下合金成分的影响 单道次情况下合金成分的影响可以从以下三个方面讨论：一、不同变形 温度下合金含量对应变强化相变铁素体的影响；二、合金对应变强化相变铁 素体相变临界变形量的影响；三、合金对应变强化相变铁素体晶粒长大的影 响。 试验钢不同温度条件下，变形7 0 时的超细晶铁素体百分含量见图2 3 ， 超细晶铁素体晶粒尺寸见图2 4 。 图2 3不同温度条件下变形7 0 的超细晶铁素体量 f i g2 3t h eq u a n t i t yo fu l t r a f i n eg r a i n e df e r r i t e a t7 0 d i s t o r t i o nu n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s 图2 4 不同温度条件下变形7 0 量的超细晶晶粒尺寸 f i g2 4t h ed i m e n s i o no f u l t r a f i n eg r a i n e dg r a i na t7 0 d i s t o r t i o nu n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s 从图2 3 可见，在8 5 0 。c 变形7 0 时，o 0 2 v 钢的超绌品铁素体的量与对 江苏大学硕士学位论文 比钢基本一致，0 0 6 v 、0 1 1 v 和0 1 4 v 钢的超细晶铁素体的量比对比钢少， 且随着钒含量的增加，超细晶铁素体的量降低；在8 1 0 。c 变形7 0 时，所有 成分的试样均有比较多超细晶铁素体组织，随着钒含量的增加，超细晶铁素 体的量有增加的趋势，o 1 4 v 的钢和v - n b 钢的超细晶铁素体的量比其它试验 钢多得多，为6 5 ；在7 6 0 。c 变形7 0 时，其规律与8 1 0 变形一致，只是超 细晶铁素体的量比8 1 0 变形时多。从图2 4 可见，在8 5 0 变形7 0 时，0 0 2 v 钢的铁素体晶粒尺寸与对比钢基本一致，0 0 6 v 和0 1 1 v 钢的超细晶铁素体的 晶粒尺寸比对比钢略大，v - n b 钢中超细晶铁索体量多而且晶粒尺寸较小； 在8 1 0 变形7 0 时，铁素体晶粒尺寸随着钒含量的增加而减小，v - n b 钢