GCr15轴承钢棒线材热连轧过程微观组织演化的数值模拟

论文摘要

我国在许多年以前就已经跃居为世界第一产钢大国,然而到现在,仍然不能称之为钢铁强国。在生产一些高质量、高技术含量的钢材品种方面,我国与发达国家相比仍然存在着较大的差距,许多高质量、高技术含量的钢铁产品仍然需要从发达国家进口。想要改变这种状况,我国的钢铁企业必须着力于改进生产工艺,发展高性能、高技术含量的钢铁产品。在钢铁工业生产中,轧制是一种重要的生产方式,由于轧制过程的复杂性,长期以来,其研究主要建立在经验和反复试验基础上。在制定生产工艺时,往往需要反复的试验,这无疑造成研发周期的延长和生产成本的增加。近年来,随着计算机技术与有限元方法的发展,基于有限元理论的数值模拟方法为轧制过程的研究提供了重要手段。通过对轧制过程进行数值模拟分析,可以得到轧制过程中轧件变形、温度变化、等效应变变化、等效应变率变化、组织演化等,从而为轧制工艺的优化设计提供依据。本文开发了GCr15钢热连轧过程微观组织演化的模拟系统,以东北特钢集团φ8 mmGCr15钢棒线材热连轧过程为对象展开了数值模拟。根据实际情况,将φ8 mm GCr15钢棒线材热连轧过程分为1-26道次控制轧制阶段和轧后控制冷却阶段,并分别进行了研究,主要研究内容及结论如下:（1）在对GCr15钢热连轧过程的组织演化进行数值模拟研究前,首先需要建立GCr15钢的奥氏体晶粒演化模型。本文在Gleeble-3800热/力模拟试验机上进行了GCr15钢的晶粒长大实验、单道次压缩实验、双道次压缩实验,得到了数值模拟研究所需要的GCr15钢的奥氏体晶粒演化模型,它主要包括晶粒长大、动态再结晶、亚动态再结晶及静态再结晶模型等。（2）采用大型商业有限元软件MSC.Marc,建立了φ8 mm GCr15钢棒线材26道次控制轧制过程的有限元模型,模拟了φ8 mm GCr15钢从出炉到精轧结束的全过程。由于受计算机速度的限制,将整个轧制过程分为几个部分分别进行模拟,分析了整个轧制过程中轧件变形、温度变化、等效应变变化、等效应变率变化等。同时,本文在Marc平台上进行二次开发,开发了GCr15钢轧制过程中的奥氏体晶粒演化子程序系统,结合GCr15钢的晶粒演化模型,对GCr15钢轧制过程的奥氏体晶粒演化进行了模拟。温度的模拟结果与测量结果吻合较好,奥氏体晶粒尺寸的模拟结果也与实验结果吻合较好。（3）采用有限元软件MSC.Marc,建立了GCr15钢轧后控制冷却过程的有限元模型,在Marc平台上进行二次开发,开发了轧后冷却过程中GCr15钢奥氏体组织转变子程序系统,与GCr15钢控制冷却过程的有限元模型耦合进行计算。该子程序系统中结合了GCr15钢的TTT曲线,考虑了相变潜热的影响,模拟得到了GCr15钢在控制冷却过程中的温度变化情况和奥氏体组织转变结果。模拟得到的轧件的最终组织全部是珠光体,这与实验结果吻合。此外,本文利用GCr15钢奥氏体组织转变子程序系统探讨了同一温度和不同冷却速度下GCr15钢的组织转变情况,可为轧后冷却工艺的优化提供参考。本文开发的GCr15钢热连轧过程微观组织演化的模拟系统可以用来模拟GCr15钢轧制过程中轧件变形、温度变化、等效应变变化、等效应变率变化、组织演化等,对轧制生产工艺的优化具有参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 选题背景与意义
• 1.3 研究和发展概况
• 1.3.1 有限元法的发展
• 1.3.2 有限元模拟软件
• 1.3.3 轧制过程全局模拟的进展
• 1.3.4 控制轧制控制冷却过程组织演化模拟的进展
• 1.4 本课题研究的主要内容和方法
• 2 有限元模型建立的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 轧制成型过程中的传热问题
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 热传导方程
• 2.3 弹塑性力学基本理论
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 屈服准则
• 2.3.3 流动准则
• 2.3.4 弹塑性力学方程
• 2.3.5 硬化法则
• 2.4 有限元分析过程
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 有限元法的基本求解步骤
• 2.5 本章小结
• 3 轧制过程中的奥氏体晶粒演化和组织转变理论
• 3.1 引言
• 3.2 热轧过程中的奥氏体晶粒演化
• 3.2.1 回复和动态再结晶
• 3.2.2 动态再结晶模型
• 3.2.3 亚动态再结晶模型
• 3.2.4 静态再结晶模型
• 3.2.5 亚动态及静态再结晶百分比的测定
• 3.2.6 晶粒长大模型
• 3.2.7 部分再结晶
• 3.2.8 等效时间
• 3.3 轧后冷却过程奥氏体组织转变
• 3.3.1 钢的连续冷却转变与等温转变
• 3.3.2 等温转变过程的数学模型
• 3.3.3 Scheil叠加法则
• 3.3.4 模拟计算步骤
• 3.4 本章小结
• 4 GCr15钢Gleeble热/力模拟实验
• 4.1 引言
• 4.2 实验设备
• 4.3 实验材料
• 4.4 GCr15钢奥氏体晶粒长大实验
• 4.4.1 实验过程
• 4.4.2 实验结果分析
• 4.5 GCr15钢单道次压缩实验
• 4.5.1 实验过程
• 4.5.2 实验结果分析
• 4.6 GCr15钢双道次压缩实验
• 4.6.1 实验过程
• 4.6.2 实验结果分析
• 4.7 本章小结
• 5 GCr15钢棒线材热连轧过程微观组织演化的模拟系统
• 5.1 引言
• 5.2 Φ8mmGCr15钢棒线材热连轧过程有限元基本模型
• 5.2.1 棒线材生产线实际情况
• 5.2.2 GCr15钢1-26道次控制轧制过程的有限元模型
• 5.2.3 GCr15钢轧后控制冷却过程的有限元模型
• 5.2.4 实验GCr15钢的化学成分和材料特性
• 5.3 GCr15钢控制轧制过程奥氏体晶粒演化子程序系统
• 5.3.1 概述
• 5.3.2 GCr15钢奥氏体晶粒演化模型
• 5.3.3 子程序系统计算流程
• 5.4 GCr15钢轧后控制冷却过程奥氏体组织转变子程序系统
• 5.4.1 概述
• 5.4.2 GCr15的TTT曲线与奥氏体相变潜热处理
• 5.4.3 子程序系统计算流程
• 5.5 本章小结
• 6 GCr15钢棒线材热连轧过程的数值模拟结果与分析
• 6.1 引言
• 6.2 GCr15钢1-26道次轧制过程的模拟结果与分析
• 6.2.1 温度模拟结果分析与实验验证
• 6.2.2 等效塑性应变分析
• 6.2.3 等效塑性应变率分析
• 6.2.4 各道次变形情况的模拟结果及实际生产情况
• 6.2.5 GCr15钢1-26道次轧制过程的奥氏体晶粒演化模拟结果与实验验证
• 6.3 GCr15钢轧后冷却过程奥氏体组织转变的模拟结果与分析
• 6.3.1 温度的模拟结果与分析
• 6.3.2 轧后冷却过程GCr15钢奥氏体组织转变的模拟结果与实验验证
• 6.3.3 冷却速度对GCr15钢奥氏体组织转变模拟结果的影响
• 6.4 本章小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢