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引言热轧过程计算机模拟主要包括四个方面的功能,即(1.PDF
引 言热轧过程计算机模拟主要包括四个方面的功能 ,即 :( 1 )模拟轧件、轧辊温度分布 ;( 2 )
模拟应力、应变分布 ,求解轧制力、轧制力矩、功率、变形抗力 ;( 3)模拟轧件奥氏体晶粒尺寸
及γ→α相变过程的组织变化 :(4 )预报轧件最终的机械性能 (屈服强度 ,延伸率和硬度 ) 1,2
。上世纪 70 年代 ,国外开始金属轧制过程中微观组织模拟的研究。Sheffield 大学的Sellars 等
人研究了C -Mn 钢和含Nb 钢热轧过程的微观组织演变 ,并首次提出板材从再加热到相变结束过
程中组织演变的数学模型3 。 80 年代 ,我国开始热轧过程计算机模拟研究。预测和控制热
轧带钢组织与性能的意义在于 :利用数学模型对热轧过程中的传热、应力—应变、组织变化等现
象进行计算机预演与再现 ,从而优化钢种组分及轧制工艺 ,控制轧件性能、质量4 。热轧过程
的微观组织—性能模拟 ,是有限元数值模拟技术和工程优化理论在金属塑性成形领域中的应用
和发展。2 热轧过程中微观组织模拟及试验方法在早期 ,优化金属塑性成形过程的基本方法是
将主要工艺参数作为优化设计变量 ,而目标是产品中的温度分布均匀性。随着组织模拟与优化研
究的深入 ,目前将平均晶粒尺寸与实际晶粒尺寸之差定义为优化工作的最终目标 ,即把目标函
数定义为所有单元体的晶粒尺寸与最终轧件的平均晶粒尺寸的均方差5 。如图l 所示 ,在热轧
流程中 ,加热过程使钢完全奥氏体化 ,包括碳氮化合物的溶解和奥氏体晶粒长大 ;在轧制及轧制
间隙 ,钢坯发生奥氏体的回复和再结晶。同时 ,组织变化影响材料的变形抗力 ;轧后冷却时 ,金
属发生奥氏体相变和碳氮化合物的析出 ;最终产品的力学性能可由室温下金属的微观组织计算
得到。因此 ,描述轧制过程微观组织演变的物理冶金模型主要包括 4 个子模型 :奥氏体再结晶模
型、碳氮化合物析出模型、奥氏体相变模型和组织与性能对应关系模型4 。图l 热轧过程微
观组织及性能预报模型流程图 成熟的有限元软件在塑性力学方面可保证很高的精度 ,模拟
的误差主要取决于边界条件和材料特征值是否正确。如 :对有限元软件 ABAQUS、MARC 等进
行二次开发6~ 8 ,将相关的变形抗力模型写入用户材料子程序 ,在轧制过程中对轧件可进行
温度场、应力—应变场和微观组织三场耦合分析 ,在道次间隙进行温度场和微观组织的两场耦合
分析。微观组织模拟可利用FDM 和FEM 相结合的方法。如 :利用有限差分法 ,计算道次间隙和
轧后冷却时板坯厚度方向的温度分布 :利用FEM模拟分析应变、应变速率和由变形过程中的应
变和摩擦产生的热量 ,计算奥氏体再结晶量和晶粒尺寸9,10 。在热轧过程微观组织模拟中 ,
一般采用 U .L . (更新拉格朗日 )法 ,并基于Prandtl -Reuss 流动理论和Miss 屈服准则 ,建立有
限元本构方程。轧件与轧辊的接触计算中可采用直接约束法 ,摩擦的处理可采用修正的剪切摩擦
定律8~ 11 。目前 ,微观组织模拟中也融入了各种先进技术 ,如东北大学利用人工智能 (AI)
方法对C -Mn 钢、HSLA 钢热轧过程组织性能的演变进行预测 ,将人工神经网络(ANN)、模糊逻
辑 (FUZZY)、专家系统 (ES)、遗传算法 (GA)应用于轧制控制过程12 。模拟仿真离不开物
理模拟所提供的数据。在轧机上直接进行实验不太现实 ,而利用物理模拟可使工业生产中的复杂
现象在实验条件下预演或再现 ,如借助热 /力学模拟实验机可分析温度、道次压下量、轧制速度
和冷却速率对产品质量的影响。多道次轧制过程模拟可以用Gleeble 系统 ,进行单向圆柱形试样
压缩实验 ,如通过双道次压缩试验可以确定道次间隙的再结晶量13 ,14 。平均流变应力和温
度绝对值的倒数之间的函数关系反映热轧过程中的微观组织演变。其中 ,平均流变应力可以通过
压下量、轧制力和带钢宽度由Sims 法计算得到。从热轧中的流变应力行为 ,可以识别再结晶、
应变累积和相变。如通过一道次转矩试验可确定峰值应变和稳态应力 ;通过两次扭转试验可确定
5 0 %软化时间15~ 17 。另外 ,通过定量金相试验和回归算法可以确定组织模拟的模型系数
18~ 2 0 。3 热轧过程中组织一性能模拟数学模型 3 1 奥氏体再结晶模型奥氏体的再结
晶模型包括动态再结晶、静态再结晶和亚动态再结晶模型 ,这 3套模型又分别包括相应的动力
学模型和晶粒尺寸及长大模型2 ,3 ,5,11,17,2 0 ,2 7 。各国学者所建立的数学模型表达方式有
很大区别 ,但考虑的主要影响因素
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