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1、1.绪 论1.1 选题背景、目的和意义1.1.1 本课题的选题背景自 19 世纪50 年代以来，特别是 20 世纪50 年代以后，钢铁工业的飞速发展，对人类社会产生了深远的影响。在 21世纪，钢材由于其高强度以及通用性和耐用性，仍然是当今世界上最主要的材料(包括结构材料及功能材料)，作为生产资料、生活资料被广泛采用，所以是“必选”材料 。根据国际钢铁协会对全球 63 个主要产钢国的统计，2000 年全球粗钢的总产量达到了创历史纪录的8. 43亿吨，钢铁仍然是工业发展的基础，仍然是人类文明进步的重要物质基础之一。在过去的 10 年中，钢铁生产过程的能源利用率更高、更经济、更安全并且更能适应环保要
2、求。这些效果的获得，主要得益于钢铁生产工艺全过程的大幅度改进，使得钢铁产品的成本更低、性能更好、重量更轻。全球约有超过 40 %的粗钢生产的原料源自废钢的循环回收，钢材已经成为所有工业原料中循环利用最好的材料1。钢铁业日益加剧的全球化竞争和兼并，对于降低成本、企业产量规模的优化、优势市场的介入以及投资的有效性等是十分重要的。目前，全球排名前五位的钢铁企业仅拥有全球 15 %的市场，前 10 名也只是占据 25 %的市场而已，远低于其它主要工业的平均值，这也许是钢铁产品的特色。在未来若干年内，出于经济利益的原因，兼并和资源共享度会增加。钢铁业里的投资将相对集中在产品质量、生产效率和环保方面，三者
3、紧密相连，不可分割。因此，应从钢铁生产流程的总体高度上考虑，流程中工艺步骤(工序)的减少以及相应的生产时间的缩短将对总成本的降低产生积极的影响，而且可提高产量，有利于环保2。20 世纪的最后 20 年，中国的改革开放政策给钢铁工业带来了前所未有的历史机遇，中国的钢铁工业取得了令人瞩目的成就。从建国初期的15万吨，到1980年的3500万吨，到1996 年突破1亿吨，这是继美国(1953 年) 、前苏联(1967 年) 、欧共体六国(1969 年)和日本(1973 年)之后第五个亿吨的国家，在亚洲金融危机和席卷世界的经济衰退潮流中，中国钢铁业依然保持高速增长，钢产量连续六年世界第一，2001 年
4、达到1.5226亿吨，比 1980 年翻两番3。中国钢铁工业的进步主要体现在以下几个方面：(1)连铸比超过国际平均水平；(2)技术指标大幅度提升；(3)钢铁企业集中度提高，企业分布更趋合理4。21 世纪初，特别是 2010 年前，中国经济的发展仍将处在工业化进程中（尚未完成工业化），同时又处在城镇化进程中，交通运输、大型水利工程等基础设施和西部开发又提到了重要日程上来；因此，对钢铁材料的需求将继续增长。对中国的发展而言，钢铁材料是不能不用的“必选材料”。钢铁仍是中国工业化进程的基础，钢铁工业作为基础产业的地位没有变，钢铁材料的需求远没有饱和，仍将有较大的增长空间。当然，进入WTO，中国钢铁业也
5、面临国际钢材的挑战，对扁平材而言，主要是韩国、日本等国；对长材而言，主要是俄罗斯、乌克兰等国5。提高市场竞争力和实现可持续发展，是我国钢铁工业的时代主题。一方面，国内外市场的激烈竞争和其它材料的竞争导致钢材价格不断下降，我国钢材市场的挂牌价格在过去六年里总体亦呈现下降的趋势，为此，降低成本和生产高附加值产品是提高市场竞争力的主要方向。另一方面，社会的发展要求钢铁工业实现清洁生产，改变人们对钢厂是“高能耗、污染大户”的陈旧印象，通过发展战略的调整和技术进步，钢厂会以全新的面貌存在于未来的社会生活中，以更积极的姿态促进国民经济的持续发展。在“十五”期间，我国钢铁工业的主要发展方向如下:(1)节能降
6、耗，降低成本。钢铁生产的节能降耗还有相当大的潜力。(2)清洁生产，建立社区友好型企业。与国际先进水平对比，我国钢铁业的环境负担依然较重，因此，在降低消耗、减少排放方面依然任重道远。从技术路线方面，要全面推进节能 - 清洁生产技术，确立完善的清洁生产工艺流程，同时控制金属制造过程和排放过程，采取源头控制、源头削减策略，实现排放物的再能源化、再资源化，将污染物和有毒物的无害化处理量控制到最小量。(3)利用信息技术提升产业竞争力。运用网络通讯、计算机和控制技术的新进展提升钢铁生产技术和管理水平，是企业提升竞争力的必要手段，应重点发展：实现全生产线过程控制及技术控制系统； 实现全生产系统的能源和环境管
7、理系统；发展性能预报系统；发展集团公司第四级管理的信息、决策指挥系统。(4)开发新产品，调整产品结构。在产品结构上，将增加扁平材的产能以及短缺品种，特别是适合于家电、轻工产业、建筑业用的量大面广的热轧薄规格宽带钢、冷轧宽带钢和镀锌板。在新品种开发方面，主要围绕提高性能、提高附加值上下功夫。61.1.2 本课题研究的目的7本论文重点研究在接近实际锻压的生产条件下，常见Q235钢的热变形行为及动/静态再结晶时的长大规律，并建立相应的数学模型，并为Q235钢控制锻压的计算机模拟打下基础。(1)分析Q235钢板在热锻压时温度场分布的特点，进行温度场模拟。在各种再结晶（包括动态和静态）数学模型中10，各
8、学者都对再结晶后的晶粒尺寸进行了数学建模及预测。本文在接近实际锻压工艺条件下，建立Q235钢再结晶数学模型，以便研究晶粒尺寸的演化规律。(2)研究Q235钢在接近于实际锻造变形条件下，其晶粒尺寸的演化规律。利用 Visual Fortran 语言，模拟Q235钢在热变形过程中，静/动态再结晶时，晶粒尺寸的演化规律。本文分别将Q235钢置于不同条件下热挤压，研究在不同变形程度，不同的晶粒度，不同速度，以及不同温度下，再结晶规律。(3)通过以上不同情况下的研究，设法找出Q235钢最佳的变形程度、变形温度和变形速度，为实际生产中工艺参数的制定、优化提供依据。1.1.3 本课题研究的意义随着现代化土业
9、的发展，人们对机械零件的性能和可靠性的要求越来越高。金属零件的内在性能和质量，除材料成份特征外，主要是在热加工过程中形成的。材料热处理是保证零件内在质量的重要技术，由于热处理过程中零件自身的热传导、相变和应力的变化都无法直接观测，传统的热处理技术不可否认其不同程度的盲目性，与机械工业现代化的要求不相适应，现代计算机技术与热处理工艺的结合已成为当务之急。8对于材料热处理的数值模拟来说，建立模型是首要的也是重要的一步。1978年瑞典学者一Hidenwalli计算了渗碳钢的淬火残余应力，在计算时使用了最初用于根据等温转变的孕育期，预测连续冷却时转变温度的叠加法则，将连续冷却离散成每一小时间段的阶梯冷
10、却，借助虚拟时间的概念成功地解决了如何利用TTT曲线预测连续冷却过程组织转变量的问题。到了八十年代，奥地利的Rammerstorfer对淬火过程进行了热弹塑性分析，并对比了等向强化和随动强化、蠕变、相变塑性等对模拟结果的影响，结果发现相变塑性对应力影响较大，而蠕变影响较小可以忽略；日木的T.Inone对淬火和回火过程进行了持续、系统的物理模拟研究和数值模拟研究，他们开发的热处理数值模拟软件“HEARTS”可对中小型零件的水淬、渗碳淬火、感应淬火进行数值模拟，并得到实际测试结果的验证。法国的Denis则在马氏体淬火过程中的热力学分析和内应力计算过程中全ICI考虑了相变塑性和内应力对马氏体转变动力
11、学的影响，描述了其对残余应力的影响，并与实际测定的应力状态进行了对比9。随着计算机性能的提高，以及国际上基础和应用研究活动的增长，热处理过程计算机数值模拟得到了快速的发展和应用，模拟所用的软件有ABAQCS， ANSYS， VIA RC等通用有限元软件，还有日木的HEARTS，美国的DEFORM-HT、瑞典的TRAST、中ITI清华大学的NSHT、上海交通大学的SJCU-CARBCAD等专业软件。热处数值模拟技术发展中面临的挑战还很多。理论模型、完整可靠的数据、模拟设备以及验证技术是模拟过程的主要障碍。美国热处理学会(ASVI) 1999年的研究和发展规划中确认了一系列包括淬火模型建立、电磁、
12、力学模型和相变数据结构的高度优先发展的模拟研究领域。此外，复杂机器零件的热处理变形的计算机模拟和控制、热处理土艺及质量效果(组织和性能)模拟技术及温度场的数值模拟技术等作为智能化热处理技术已经列入我国热处理行业“十五”发展和推广的热处理新技术和质量控制之中。热处理模拟技术涵盖的范围很广，除了用于研究土作内的扩散、传热、相变和应力应变等现象及它们之间的耦合之外，流场动力学模拟的引入有望将模拟范围扩展到工艺过程影响所及的整个空间。另一方面原子尺度模拟方法的进展有助于在更深层次反映相变、晶体结构和缺陷的微观机理。今后，宏观与微观过程模拟的互补和交融，开发更全面反映热处理过程的规律的计算机模拟方法，将
13、是值得重视的研究方向10 11。总之，随着传热学、数值计算学、相变动力学、力学等相关理论的发展，数学模型，材料热物性参数数据库的进一步完善，热处理数值模拟技术将进一步发展，对生产实践起到更大的指导作用。1.2塑性成型计算机模拟技术的研究现状及存在的问题与展望当前，金属材料仍是应用范围最为广泛的机械工程材料，材料热加工(包括铸造、锻压、焊接、热处理等)是机械制造业重要的加工工序，也是材料与制造两大行业的交叉和接口技术。材料经热加工才能成为零件或毛坯，它不仅使材料获得一定的形状、尺寸，更重要的是赋予材料最终的成份、组织与性能。由于热加工兼有成形和改性两个功能，因而与冷加工及系统的材料制备相比，其过
14、程质量控制具有更大的难度。因此，对材料热加工过程进行工艺模拟进而优化工艺设计，具有更为迫切的需求。近二十多年来，材料热加工工艺模拟技术得到迅猛发展，成为该领域最为活跃的研究热点及技术前沿12 。1.2.1 材料热加工工艺模拟的研究现状及技术发展趋势13 14材料热加工工艺模拟研究开始于铸造过程，这是因为铸件凝固过程温度场模拟计算相对简单。1962 年，丹麦 Forsund 首次采用计算机及有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算12，继丹麦人之后，美国在 60 年代中期在 NSF 资助下，开拓进行大型铸钢件温度场的数值模拟研究，进入 70 年代后，更多的国家(我国从70 年代末期开始)加入到这个研
15、究行列，并从铸造逐步扩展到锻、焊接、热处理。在全世界形成了一个材料热加工工艺模拟的研究热潮。在最近十几年来召开的材料热加工各专业的国际会议上，该领域的研究论文数量居各类论文的首位；另外从 1981 年开始，每两年还专门召开一届铸造和焊接过程的计算机数值模拟国际会议，至今已举办了八届。近一、二十年来，材料热加工工艺模拟技术不断向广度、深度扩展，其发展历程及发展趋势有以下七个方面。（1） 宏观中观微观材料热加工工艺模拟的研究工作已普遍由建立在温度场、速度场、变形场基础上的旨在预测形状、尺寸、轮廓的宏观尺度模拟(米量级)进入到以预测组织、结构、性能为目的的中观尺度模拟(毫米量级)及微观尺度模拟阶段，
16、研究对象涉及结晶、再结晶、重结晶、偏析、扩散、气体析出、相变等微观层次，甚至达到单个枝晶的尺度。（2） 单一分散耦合集成模拟功能已由单一的温度场、流场、应力/应变场、组织场模拟普遍进入到耦合集成阶段。包括：流场温度场；温度场应力/应变场；温度场组织场；应力/应变场组织场等之间的耦合，以真实模拟复杂的实际热加工过程。（3） 共性、通用专用、特性由于建立在温度场、流场、应力/应变场数值模拟基础上的常规热加工，特别是铸造、冲压、铸造工艺模拟技术的日益成熟及商业化软件的不断出现，研究工作已由共性通用问题转向难度更大的专用特性问题。主要有以下两个方向： 解决特种热加工工艺模拟及工艺优化问题：为铸造专业中的压铸、低压铸造、金属型铸造、实型铸造、连续铸造、电渣熔铸等；锻压专业中的液压胀形、楔横轧、辊锻等；焊接专业中的电阻焊、激光焊等；解决热加工件的缺陷消除问题
