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热轧棒材冷却过程中相变和机械性能的计算机建模Computational modeling of phase transformations and mechanicalproperties during the cooling of hot rolled rodSameerPhadke, Praveen Pauskar, Rajiv ShivpuriDepartment of Industrial Welding and Systems Engineering, Ohio State University, 210 Baker System Engineering Building,1971 Neil Avenue, Columbus, OH 43210, USA摘要近期，热轧控冷越发重视对所需微观结构和机械性能的满足。这种方式通过改进微观结构和热轧时的温度来将奥氏体转变为不同体积分数的马氏体，贝氏体，珠光体和铁素体。本文提出了一种使用Sellar演化方程的热轧过程中晶粒尺寸变化和终轧温度预测的计算方法。这是根据数字化的连续冷却曲线来确定热轧冷却过程中各相的体积分数。机械性能由相变体积分数与钢材的标准关系来衡量。这些演化、转化以及性能间的关系在使用刚粘塑性材料模型并有一个基于微结构的流动应力模块的3D有限元程序中得以实现。这种方法的有效性已通过八道次方圆棒材轧制来证实，这种方法已被证实是一种强大分析方式，并可在孔型设计中廉价替换原有试错方式。关键词：微观结构演化，相变，热轧1、简介作为工程材料的钢铁，其出色的性能是由微观结构和可能受加工和热处理影响的机械性能决定的。轧钢产品的这些性能是由其材料组成、在轧机中的变形和轧后热处理决定的。由于大量变量的涉及，为了能够生产所需公差和性能的产品，在设计轧制过程时需要相当数量的生产试验。这种试错方式不仅增加了生产成本，也延长了生产时间。钢铁企业间竞争的加剧凸现了对首次生产就可以得到所需产品的设计轧辊孔型序列的需要。对热轧钢材尺寸和材料特性的准确预测需要对轧制过程中材料机械特性在辊缝和机架间微观组织演化和轧后控冷过程中的相变进行模拟。建立一个全面的热轧模型需要采用综合方式对金属流、温度分布、微观结构演化以及相变进行模拟。近年来对微观结构演化的模拟已经取得了显著的进展[1～6]。数学建模作为一种对金属流和轧制过程中冶金变化进行离线分析的强大工具获得了广泛认可。最近，在多机架棒材和板材轧制中，对金属流和微观结构演化的计算模型的开发取得了进展。在俄亥俄州立大学，一个三维有限元程序ROLPAS被开发出来用于模拟多机架型材轧制。这个有限元程序可用来预测温度分布、应变、应变率、金属流以及轧辊的力和力矩。一些钢铁企业已经用这个程序来模拟金属流，经过测试，取得了不错的效果。ROLPAS的非等温变形分析基于材料特性中的刚粘塑性假设，采用八节点等参六面体单元。辊缝内的变形被假定为运动学稳态。这样的假定已被成功的运用于稳态过程，比如挤压和轧制[7]。有限元模型的详细信息可以参考Kim等人文献[8]。一个微观组织演变模块MICON已被加入到ROLPAS中，用于模拟奥氏体演变过程[2]。MICON使用有限元程序计算出的热力学数据配合微观结构演化模型来模拟热轧过程中的奥氏体演化。棒材轧制过程中的微观结构转变主要由于在机架间的静态再结晶和晶粒生长。如果积累应变大到足够成核，根据Sellars和Whiteman的研究，应该在机架间进行动态再结晶和亚动态再结晶模拟[9]。机架间微观结构变化被用于计算残余应力和再结晶及未再结晶组分的晶格大小，也可以用来计算通过下一个孔型时的流动应力。为发展轧后相变模块，本文提出一种计算方法。它使用轧后温度数据（由ROLPAS计算）和等温转变数据来模拟奥氏体转变为铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体。一旦各相的体积分数被确定，该模型根据结构与性能的关系来对轧制产品的机械性能进行预测。2、相变模型相变发生在冷却过程中，形成铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体。在亚共析钢中先共析铁素体，珠光体和贝氏体以扩散转变的方式形成。扩散是一个随时间变化的现象。扩散转变受温度影响严重，成核与生长机制促进其进行。这个转变过程通常由s形Johnson–Mehl–Avrami（JMA）方程描述，该方程给出了在恒定温度下，t时间生成的转化产物X(t)的数量：X（t）=1-exp（1）与（2）其中是转换成已知组分x所需时间，为扩散系数，k为转变指数。和k是温度的函数，代表成核和生长率，与成核和生长阶段几何形状的条件有关。对于铁素体，指数k被假定为1，而对于珠光体和贝氏体，该指数要从转变等温线（IT）数据计算得出[10]。一种由Umemoto提出的改进JMA方程目前正在研究，该方程考虑了原奥氏体晶格尺寸在转变反应动力学中的影响。扩散转