新一代钢铁材料制备过程集成模拟研_W

1、 ABAQUS 软件 2003 年度用户论新一代钢铁材料制备过程集成模拟研究 李殿中 莫春立 黄成江 佟明铭 兰勇军中国科学院金属研究所 摘要：本文介绍了在新一代钢铁材料制备过程成分工艺组织性能集成模拟研究中采用的模拟方法和所取得的研究结果，内容包括：1.热轧过程工艺组织性能预测软件的开发及所应用的基本模型， 以及软件所预测分析的结果。2. 应用热力耦合有限元分析热轧过程板带的温度、应力、累积应变等，为分析改进工艺，解决薄板的裂纹问题提供基础。3.应用 Monte Carlo and Cellular Automaton 方法模拟材料在轧制过程微观组织的演变，尤其是涉及形变诱导相变的微观机制，

2、这些成果体现了当今在材料领域研究的主要方法和手段，并为进一步的多层次计算机模拟提供依据。 关键词：热轧带钢 abaqus热力耦合 Monte CarloCellular Automaton1 概述 随着计算机技术的飞速发展以及材料领域理论研究和实验研究的重大突破，基于成分、工艺、组织与性能的四面体模型，对带钢热轧过程的模拟与组织性能预报工作逐步开展了起来，开发离线与在线的模拟系统，对工艺过程实现控制, 结合变形和冷却的作用，对物理冶金和工艺模型集成。热轧过程的基本工艺流程包括加热段、粗精轧段、冷却段和卷取段，涉及到力学性能预报模型基本包括 5 个模块：即加热过程的温度演变和晶粒长大模型；粗精轧

3、过程的温度演变、应力应变和再结晶模型；冷却过程的温度演变和相变分数、晶粒度模型；卷取过程的温度演变和晶粒长大模型，在此基础上的组织性能定量关系模型。 2 轧制过程模拟与验证 实现钢的微观组织模拟和力学性能预测的关键是建立能够准确描述生产过程中各个物理冶金参量关系的数学模型。近几年，世界各国的学者在这方面开展了大量的研究工作，并建立了相关的物理冶金模型。金属研究所开发的 Rollan 软件所用的再结晶模型在形式上类似于其它模型，但在模型中的系数是不同的。特别是当精轧过程中发生再结晶愈来愈困难，只发生部分再结晶时， 现有模型在预测变形晶粒和再结晶晶粒混合组织的晶粒时不准确，Rollan 软件改进了

4、部分再结晶模型。再结晶模型主要参考了 Sellars 和 Hodgson 的模型，模型中的系数通过实验测定反推获得， 再用反推得到的系数预测再结晶情况与新的实验结果对比，对模型系数反复修正。为了能准确预测热轧过程中的再结晶组织演变，Rollan 软件专门开发了热轧过程的温度模型、应变、应变速率模型。除此之外，Rollan 软件还开发了预测轧制力的模型。首先根据热轧工艺模型计算出钢板热轧过程中的温度变化、应变、应变速率和轧制力，粗、精轧过程中的温度、轧制力、应变、应变 - 9 - 速率如图 1，图 2 所示。然后采用上述再结晶模型模拟钢坯在粗轧粗精轧之间和精轧过程中的再结晶状况。精轧过程中的再结

5、晶情况如图 3，图 4 所示。 大生产中粗精轧的组织演变很难验证，主要原因一是带钢比较厚，再结晶后的奥氏体组织难以保留下来，定量观察是不可能的；二是大生产中进行样品切取成本太高，影响生产。我们在鞍钢生产线上通过卡钢切取样品，对组织进行了分析，定性地估计了精轧各道次的组织演变过程， 为模拟分析提供了佐证。图 5（a）、(b)、 (c)、(d)中分别是精轧前的组织、精轧第一道次、第三道次、第五道次的组织。从图中可以看出，组织逐步细化，说明发生了再结晶，前两道次比较充分，晶粒细化明显。第三道次再结晶不充分，出现了带状组织。 图 1 粗轧过程中的温度、应变、应变速率和轧制力 图 2 精轧过程中的温度、

6、应变、应变速率和轧制力 图 3 精轧各道次再结晶分数变化图 4 精轧各道次再结晶晶粒尺寸变化 (a) 精轧入口金相组织(b) 精轧第一道次后金相组织 (c) 精轧第三道次后金相组织(d) 精轧第五道次后金相组织图 5 Q235 带钢精轧过程组织演变的实测结果 3.热轧过程的热力耦合有限元分析 界面换热系数是热力耦合有限元模拟的关键数据。在热轧过程中，轧件与轧辊间的接触传热是轧件热损失的主要部分。为了确定界面换热系数(IHTC)的值，采用 Sellars 等人的模型，其表达式为： 其中： q = C (T- T ) （1） n peewstskP 1 = 1 + 1 Cbg = c0h 1 -

7、exp -aCox = kox / d oxCeCoxCbg， Rat HV ox ， Tws -工件的表面温度，Tts - 工具的表面温度，Ce -界面换热系数（IHTC）， kox -氧化皮的热传导系数， d ox -氧化皮的厚度， Cox -Cbgnpkh通过氧化皮的界面换热系数，-通过接触空隙的界面换热系数， Rat -工具的表面粗糙度， Pa -接触压力， HVox -氧化皮的维氏硬度， c0，-实验常数，-氧化皮和工具热传导系数的调和平均值。 将上述界面传热模型和摩擦条件加入有限元分析软件 ABAQUS 进行热力耦合计算，计算模型如图 6 所示。材料的本构关系模型考虑了不同温度、应

8、变率对应力应变曲线的影响，本构关系曲线是通过 Gleeble 1500 热模拟机进行测试的。由于对称性，轧板只取上半部分。轧板采用 IF 钢的热物性。 利用 ABAQUS 的二次开发功能，编写用户自定义场量子程序 USDFLD，模拟轧制道次间的 晶粒度场和再结晶分数。 中 心 表面 1100温度，K1000900800700600050100150200250时间，s图 6 粗轧道次工件温度随时间变化曲线 由上图可以看出，在粗轧压下过程中，中心温度由于塑性功的耗散有一定的升高，而表面温度则而急剧下降，这是由于轧辊与工件接触急冷造成的。在压下量为 20%时，中心温升为 5oC， 压下量为 50%

9、时，中心温升为 20oC。 图 7平均晶粒度分布图 8再结晶分数分布 由图 7 看出，经过道次间的静态再结晶以后，表面为较细的晶粒组织，而中心部分则形成比 较粗大的晶粒组织，内外晶粒尺寸不均匀。在经过 6 道次的粗轧以后，晶粒尺寸一般约为 40-50 微米。由图 3-45 看到，中心部分则较表面容易发生充分再结晶。在粗轧 6 道次中，由于变形温度在 1100oC 左右压下量 20%-30%，道次间隔时间在几秒到几十秒，所以每一道次的再结晶都很充分。 4 形变诱导铁素体相变过程的计算机模拟 形变诱导相变过程是发生在细晶粒钢轧制过程的重要机制，也是轧制过程研究的热点，本节简要介绍一些课题组的研究成

10、果。在连续冷却相变的模拟中，对象是 Q235 钢(C 0.14, Si 0.20, Mn0.49, P 0.014, S 0.013, Cu 0.01, Al 0.02)。在化学自由能模型中，我们采用超组元模型。在模拟中， 当奥氏体中的碳浓度达到相图上 Acm 的延长线时，我们认为奥氏体就转变为珠光体。模拟的体系是含碳量为 0.13 (wt pct) 的 Fe-C 二元系，体系温度始终保持为 1131K（Ae3）。在模拟开始的时候，体系完全由奥氏体组成（图 9）。 图 9. 原始组织 首先，体系不经变形，发现在当前温度系始终完全由奥氏体组成。 这是因为当前温度 （1131K）为该材料的 Ae3

11、 ，体系中不可能出现铁素体。 （a） （b） 图 10. 体系的组织（a. at 104 MCS; b. at 108 MCS） 当对体系施加变形后，情况就大不一样。在热变形的早期阶段，体系仍然由 100的奥氏体组成。但是到了 104 MCS, 铁素体分数急剧上升，一直到 126MCS 为止。结合体系组织状态（图10）可知, 铁素体在 104MCS 的时候开始在奥氏体晶界上形核。铁素体的形核和长大导致了体系存储能的降低。由于直到 108MCS 时铁素体的形核行为才变得剧烈, 所以体系的存储能从 108 MCS 时才开始降低。 在 126 MCS 时, 图 11(b)显示出体系中晶界附近区域内较

12、高的存储能基本上被诱导的铁素体消耗殆尽。由于此时晶内的存储能尚未达到诱发 DIFT 的临界值，所以从126MCS 到 180MCS, 铁素体分数逐渐降低。图 11(c) 显示出，在 180 MCS，体系的存储能又达到了诱发 DIFT 的临界值，体系的铁素体分数又开始增加。当变形进行到 342 MCS 时，体系铁素体分数值达到了一个相对稳定值 48.27%。 (a) (b)图 11. 存储能空间分布 (a. at 108 MCS; b. at 126 MCS; c. at 180 MCS)(c)图 11（a,c）可以看出，晶界附近的存储能要高于晶粒内部的存储能。诱导铁素体在原始奥氏体晶界上优先形

13、核。随着热变形的进行，奥氏体晶界附近的高存储能区完全被诱导铁素体所消耗， 存储能在新形成的奥氏体铁素体相界上重新积累。这一存储能的重新积累导致了形变诱导铁素体在新形成的奥氏体铁素体相界上奥氏体一侧反复形核。 为了模拟塑性变形对奥氏体分解过程的影响，首先必须获得不同变形条件下奥氏体晶粒的结构变化。形变后的奥氏体晶粒结构可采用 Singh 等提出的方法进行模拟得到，描述塑性变形后的奥氏体晶粒结构的矢量 v 可由下式表示： (a)(b)(c)(d)图 12. 不同塑性变形条件下奥氏体晶粒结构 (a) 压下量 0%，(b) 压下量 20%, (c) 压下量 50% 和 (d) 压下量 60%v = Eu(3)式中，u 为表示初始未变形的奥氏体晶粒结构的矢量，E 为变形对角矩阵，E 的三个分量 e1, e2, e3 表示沿三个主轴方向变形后的长度与变形前的长度之比。e1, e2, e3 的自然对数值表示在三个方向上的正应变。根据体积不可压缩性，E 的三个分量 e1, e2, e3 的乘积必须等于 1，即 e1e2e3=1。对于平面应变有：e2=1, e1e3=1。图 12 表示奥氏体晶粒经过不同的平面压缩后的奥氏体晶粒结构变化。从该图 12 可以看出：在压缩方向上奥氏体晶粒被压扁，而在于压缩方向垂直的方向上奥氏体晶粒被拉长，塑性变形使原有的奥氏体晶界面积增加，增加了后续可供铁素体核