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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
17、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：应用模拟技术，已经成功地解决了大型铸钢件的缩孔、缩松，模锻件的折叠及冲压件的断裂、起皱问题，目前的研究热点集中在铸件的热裂、气孔、偏析；大型锻件的混晶；冲压件的回弹；焊接件的变形、冷裂、 热裂；淬火中的变形等常见缺陷的预防和消除方法的研究。（4） 重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究数值模拟是热加工工艺模拟的重要方法，提高数值模拟的精度和速度是当前数值模拟的研究热点，为此非常重视在热加工基础理论、新的数理模型、新的算法、前后处理、精确的
18、基础数据获得与积累等基础性研究，为此需要多个专业学科的研究人员通力合作才能有所突破。（5） 重视物理模拟及精确测试技术物理模拟揭示工艺过程本质，得到临界判据，检验、校核数值模拟结果的有力手段，越来越引起研究工作者的重视。有以下一些新的动向：应用高新技术，设计、开发新型物理模拟实验方法及装置。如：美国衣阿华大学以乙二烃作为模拟物质(其结晶过程与金属相似，且本身透明，易于观看)，通过四个 CCD 摄象机连续观察并记录其结晶过程，可以直接观看重力、对流等因素对结晶的影响，十分直观；美国密西根大学吴贤铭制造中心研制的冲压件表面大应变量的激光测量系统：应用装在三坐标测量仪上的激光探头大视野扫描带变形网格
19、的冲压件，经数据处理后，成为校核数值模拟结果的有效手段。正确、合理处理数值模拟与物理模拟(含实验验证)之间的关系。根据模拟对象，合理确定两者的应用比例：一般来讲：工件越大，设备越庞大，则数值模拟的作用及工作量比例越大。以美国净成形工程研究中心(NSW/ERC)的研究工作为例，数值模拟占工作量比例分别为：模锻：80%；管件液压成形：50%；切削 30%；扬长避短，发挥两者的不同特长。为此，要准确了解模拟软件的功能，对于软件力不能及的问题或由于简化而导致误差过大的部位，通过实验或物理模拟，进行修正；一旦确定了数值模拟的误差并加以修正后，应尽量发挥数值模拟的作用，以节省实验的花费。NSM/ERC 在
20、管件成形中，先采用实验确定单道次胀形机理并修正有限元数值模拟误差后，然后用有限元方法进行多道次工艺模拟，并完成预成形与最后胀形工序的协调。这种配合充分发挥了两者的长处15。一般来讲，数值模拟均需用实验或物理模拟方法校核，当两者有差别时，应以实验为准。高度重视基础数据的测试技术。为了模拟材料的热加工过程，需要了解工件及模具(或铸型、介质、填充材料等)材料的热物性参数、高温力性参数、几何参数、本构参数、接触、摩擦、界面间隙、气体析出、结晶潜热等各种初始条件、边界条件的数据。没有这些数据，模型只是空架子；而这些数据的准确性对计算结果有很大的影响，为此，最近十分重视这些基础数据的获得。例如，为获得准确
21、的摩擦边界数据，锻压工艺模拟的研究项目大多进行专门的摩擦实验来测量摩擦系数，并发现常用的库仑定律与实际情况有很大的差别。材料的热物理及力性参数数值的一般获得途径是：通用材料主要靠查表；特殊材料由用户提供；尚无法通用实验获得的高温数据用外推法。（6） 在并行环境下，工艺模拟与生产系统其它技术环节实现集成，成为先进制造系统的重要组成部分起初，工艺模拟多是孤立进行的，其结果只用于优化工艺设计本身，且多用于单件小批量毛坯件生产。近年来，已逐步进入大量生产的先进制造系统中，实现以下三种不同方式的集成：首先是与产品、模具 CAD/CAE/CAM 系统集成，美国金属加工先进技术研究中心(NCEMT)在海军资
22、助下，正在开展并行工程环境下的RP2D(Rational Product/process Design)技术。将铸造工艺模拟与产品、模具设计和加工结合起来；其次是与零件加工制造系统集成，在零件加工制造系统中，工艺模拟作为重要的支撑技术，并朝着将模拟结果作为系统的过程闭环控制的参数这一方向努力。美国吴贤铭制造中心研究的“接近零余量的敏捷及精密冲压系统”及“智能电阻焊系统”；西北大学研究的“板料成形计算机集成控制系统”(其技术路线见图 1.1)等都属于这种类型；再次是与零件的安全可靠性能实现集成，美国西北大学在航空重要复杂铸件的研究中，将模拟结果与铸件的性能，特别是安全可靠性联系起来，开发了铸件的
23、安全临界设计系统(Safety critical casting design system)，用于指导铸件的损伤容限设计。（7） 以商业软件为基础，改进提高研究与普及应用相结合经多年研究开发，已经形成一批热加工工艺商业软件，主要有 MAGMA、PROCAST、SIMULOR、SOLDIA、SOLSIAR、AFS Solidification System3D(铸造)、DEFORM 、 AUTOFORGE 、 SUPERFORGE ( 体 积 塑 性 成 形 ) 、 DYNA3D 、PAM-STAMP、ANSYS (板料塑性成形)、ABAQUS (焊接)等。而且已在铸造、锻压行业生产中得到较广
24、泛应用。 如日本已有约 10%铸造工厂采用此项技术；美国福特、通用汽车公司在开发新车型时，已将板材冲压过程的数值模拟作为一个重要技术环节；法国应用此技术对 400 吨重的核电转子锻件的锻造工艺进行了校核、优化，确保了一次制造成功。数值模拟已逐步成为新工艺研究开发的重要手段和方法。在工业发达国家(如美国)，应用商业软件进行数值模拟已成为与实验同样重要的实现技术创新，开发新工艺的基本研究手段。选择合适的商业软件为软件平台，结合具体问题，进行改进提高研究，逐步成为多快好省的研究方法。具体方式有：对现有软件的某些技术问题进行理论研究；为解决具体问题插入自编软件模块；应用理论分析补偿法、实验补偿法等，找
25、出并消除商用软件的误差，使模拟结果更精确；与软件公司合作，增加软件功能，实现软件升级16。1.2.2 金属塑性加工主要的数值模拟技术金属塑性成形过程是一个复杂得变形过程，材料特性、变形热力参数、摩擦条件、坯料及模具形状等因素对成形过程都有影响。塑性加工数值模拟得目的是综合考虑各种影响因素，尽量建立精确的数学模型，在塑性力学的基础上，对材料的变形过程进行数值描述，为制定塑性加工工艺，控制产品质量以及模具优化设计提供理论依据。目前塑性加工过程数值模拟方法主要有11：滑移线矩阵算子法，有限元法(FEM)，上限单元技术(UBET)和边界元法(BEM)。滑移线矩阵算子法只适用于处理理想刚塑性体的平面应变
26、问题，不能处理形状复杂零件的成形问题。UBET 基于上限原理，求解过程借鉴了有限元法将求解区域离散化的的思想。这种方法计算量小，处理方便，是目前比较常用的数值模拟方法。但由于其单元类型单调，对形状复杂锻件的模拟精度较差。主要用于解决比较简单的稳态成形问题。BEM 法将求解区域的控制微分方程转化为在边界上定义的积分方程进行求解。BEM 法只对边界进行积分，离散化处理时，维数比有限元少一维，因而求解自由度数目相应减少。对于塑性成形问题往往弹塑性区并存，且大变形区离边界较远，使得边界积分范围难以确定，因而限制了 BEM 法的运用。目前，BEM 法在塑性加工领域大多用于模具强度以及温度场的计算。有限元
27、法使得塑性变形过程的物理特性得到了真实体现，能够全面考虑各种初值和边界条件的影响，对复杂边界有较高的拟合精度。此外，有限元法的基本理论已趋成熟，它可以在假设最少的条件下，给出最详细的变形力学和流动信息。因此，有限元法是目前塑性加工领域应用最为广泛的数值模拟方法17。1.2.3 金属塑性加工主要的数值模拟技术在变形过程中，主要发生三种显著组织变化：晶粒形状的变化；晶粒内与位错建立有关的结构的形成；更为宏观的特征的形成，通常为变形带。微观结构的演化影响材料的流变应力和产品的最终性能。显微组织演化的计算机模拟可以将相对简单的基本的成形与复杂的工业成形结合起来，给出显微组织和产品性能的过程控制的方法。
28、20 多年以来，金属变形过程的数值模拟经历了重要的、持续的发展。其中，一个重要的发展方向是与金属学结合，模拟工件内部显微组织的变化。但到目前为止，采用有限元技术对显微组织结构特征的变化，如晶粒尺寸，以及更为复杂的过程，如织构演变的模拟研究才刚刚起步，很少有人涉足模拟微观组织变化。在金属的热成形过程中，金属经历了复杂的时间、应变、应变速率和温度的变化。材料的塑性变形、温度变化以及再结晶等组织演化之间有着错综复杂的相互影响，这种影响不仅关系到塑性成形的顺利进行，而且关系到产品的最终使用性能。一方面，热力参数的特定组合产生一种特定的微观结构，金属会发生加工硬化和软化。软化的主要方式是动态回复和动态再
29、结晶，如果是多道次变形，在道次之间隔时间内还会发生静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶等软化过程。合金元素较多的金属还会发生动态析出等等。由此可见，热变形过程中的组织变化是十分复杂的。另一方面，金属微观结构演变是控制其力学性能和技术参数的前提，通过使变形条件适合特定材料的特殊要求，可加工出性能确定、均匀、良好的产品。金属的物理过程和变形条件之间复杂的相互作用需要对变形过程和微观结构演变进行模拟，即需要定量地描述热力参数及工艺参数与显微组织演变之间的关系。对于简单的或进行简化分析的问题可以采用间接耦合算法。在一个计算步中，不考虑变形、传热和组织演化的相互影响，从当前的状态出发，分别计算变形场和传热
30、场，利用这些结果预测组织演化。当前工作的主要目标是建立金属塑性成形模拟的热学-力学-微观结构分析同时进行的有限元模型18-21。金属塑性变形后的显微组织取决于热加工工艺参数及其加工历史。有关这方面的早期工作主要针对钢铁材料展开，研究了高温奥氏体单相区内的压缩变形力学行为和组织变化特点；又相继开展了材料在两相或多相区温度范围内的变形行为的研究。冶金加工科学技术的最新发展，为显微组织和变形关系的研究开辟了新的途径。美国空军材料实验室等研究机构通过双相钛合金高温压缩实验得出其高温流动特性及变形参数与其显微组织的对应关系，这一研究与考虑温度场耦合计算的塑性有限元模拟相结合，可以准确预测锻件中的显微组织
31、，并通过工艺参数的优化控制成品的组织和性能。这方面的研究成果已成功地应用于工业生产中，显示了广阔的应用前景22。2. Q235钢晶粒尺寸的研究2.1动态再结晶的基本理论将经过大量冷形变的金属加热到大约0.4Tm，(Tm为金属熔点)的温度，经过一段时间后，就会有晶体缺陷密度大为降低的新等轴晶粒在冷形变的基体内形核并长大，直到冷形变晶粒完全耗尽为止。这个过程就叫做再结晶。再结晶开始之前发生的过程叫回复。再结晶过程中金属的力学和物理性能急剧变化，加工硬化可以完全消除，性能可以恢复到形变前的退火状态。显微组织也发生了明显的改变，由拉长的形变晶粒变为新的等轴晶粒。金属在较高的温度下形变时，回复和再结晶可
32、能在形变过程中相继发生，这种回复和再结晶称为动态回复和动态再结晶。形变温度高于0.4 Tm是动态再结晶行为的前提条件，但在这个前提下动态再结晶不一定会出现。例如:对铝及大多数体心立方金属来讲，热加工形变时由于较强的动态回复使得形变金属内的位错密度始终比较低，不能提供足够的再结晶形核所需要的驱动力。因此在这些金属内至今未观察到动态再结晶。层错能低的金属(如fcc结构的金属)，其回复过程并不是很强，当形变温度升高，加工硬化曲线会突然出现抖动，或出现一峰值，这是明显的动态再结晶的证据23。2.1.1动态再结晶组织结构的特点在高温下进行的形变过程，形变结束时，再结晶并未结束。如果仍在高温停留，未及长大
33、的再结晶晶粒将迅速长大，发生静态再结晶。这种静态再结晶不需要孕育期，有人称之为准动态再结晶或亚动态再结晶。为了研究动态再结晶后形成的组织，必须避免发生准动态再结晶，一般是采用高温形变后立即淬冷的办法。采用这种办法观察到的稳态流变阶段的显微组织具有以下特征:(1)晶粒保持为等轴状;(2)晶粒大小很不均匀;(3)晶粒呈现不规则的凹凸状;2.1.2动态回复在金属的塑性形变过程中总存在一定的加工硬化，当形变温度很低时应力基本上随应变呈线性增长趋势。加工硬化与位错密度密切相关，即流变应力正比于砷扣。形变量很高时，位错密度的增长趋势逐渐减弱，所以加工硬化效应也会逐渐低于线性增长规律.这一现象主要是由形变过
34、程中的回复现象造成的，因此称为动态回复。随着形变程度的增加，动态回复效应也会增强。当形变量高到某一程度时，流变应力会达到某一饱和值而不再增加，这时动态回复效应完全抵消了加工硬化效应。形变过程中的动态回复过程可以看成是与通常的静态回复相类似的过程。在这个过程中螺位错交滑移，刃位错攀移，造成位错对消，并发生多边形化过程。位错攀移必然伴随扩散过程，因此只有当温度高于0.5几时的回复才会包括明显的位错攀移运动，低温时的动态回复主要是位错的交滑移过程。交滑移的激活能与标准层错能/b成正比(为层错能)。因此层错能越高的金属，其动态回复效应越强。而当温度高于0.5 T,时，硬化曲线明显趋于水平，这主要是由于
35、位错攀移运动的附加作用。这时除了层错能以外，扩散激活能起了决定性作用24 25。动态回复不仅降低了加工硬化效应，而且也改变了位错结构。回复后位错不是在金属晶体中均匀分布，而是形成了封闭的胞壁，把晶体分割成许多低位错密度的小区，即胞结构。回复过程对于动态再结晶的形核是十分必要的。高层错能金属动态回复过程较强，有利于动态再结晶的形核，所以其临界流变应力较低。但动态回复过程不能太强，否则由于驱动力太弱，动态再结晶将不再出现。2.1.3动态再结晶理论关于动态再结晶，人们先后发展了三个理论用以解释动态再结晶原理，分别是唯象理论、改进理论和位错理论。每一个理论都是建立在前一个理论基础上，改进并完善动态再结
36、晶机理。本论文中模型的建立应用的是位错理论，因此对前两个理论作简要介绍。(1)唯象理论唯象理论是在金属镍扭转实验的基础上提出来的。设热形变量达临界值后发生动态再结晶。而且已动态再结晶晶粒变形c后可再次发生动态再结晶。同时设动态再结晶过程符合静态再结晶的规律。对于再结晶的体积份数x的计算由式(2-1)确定 当应变速率不变时，可按下式计算时间t式中(-c表示发生动态结晶后产生的应变。由式(2-1)可知，当t=tR时，有x=0.632 0所以可以认为再结晶时间tR是基体大部分发生再结晶所需要的时间。在热变形过程中t，时间间隔内所发生的应变为R。所以有因此有设变形组织的流变应力是D，再结晶组织的流变应
37、力是R，则热变形过程中整体流变应力为 将式(2-1)和(2-4)代入可求得 调整c，R和s值可使由(2-6)计算出来的应力应变曲线与实际测量的曲线十分接近。如果Rc，例如当变形速度很快、变形温度较低或合金元素含量很高时，前后不同的动态再结晶过程会叠加在一起。前一周期的动态再结晶尚未完成，后面一个周期的动态再结晶已经开始。这样在流变应力曲线上只会出现一个峰值(图2.1 (b)，这与实际观察到的结果完全相符(图2.2)。与周期性动态再结晶不同，人们有时称这种再结晶为连续再结晶。应该注意的是这里的连续再结晶与静态的连续再结晶不同，它不是一个强的回复过程26。图2.1唯象理论推算的动态再结晶应力应变曲
38、线a一周期性动态再结晶;b一非周期性动态再结晶这个理论虽然在一定程度上解释了动态再结晶过程，但它仍有很大局限性。当Rc时，唯象理论把加工硬化和再结晶看成两个互相独立的事件，因此流变应力曲线可以无限等幅抖动下去。而实际观察结果却是抖动不断衰减，通常衰减2至8个周期后就看不到抖动现象了(图2.2)。其次这里流变应力曲线抖动周期只与c有关，而实际上应与R也有关。另外，根据唯象理论计算出来的流变应力曲线上的峰位、峰值及平稳值等都与许多实测值不尽相符，因此不断有人设法改进唯象理论。图2.2碳钢不同温度变形时的应力应变曲线(2)改进理论针对唯象理论的不足，人们提出一些改进设想。例如:某周期动态再结晶所需要
39、的临界应变明显比前一周期动态再结晶所需的临界应变c小。金属基体内某些特殊区域内的再结晶应变明显低于宏观的再结晶应变R。某周期的再结晶晶粒之内进行了下一周期的再结晶，则这部分晶粒将以两种不同的方式进行再下一周期的再结晶。也就是说金属基体内各处并不是同步发生动态再结晶，不同部位在同一时刻可能处于不同的再结晶阶段。尽管唯象理论定性地描述了动态再结晶过程。但这一理论没能认真考虑变形与再结晶的物理过程，因此没有物理基础。(3)动态再结晶的位错机制施迪沃(Stuwe)等人提出了以位错密度为基础的理论模型，模型中假设热变形金属的位错密度达到一定临界值c后就会造成动态再结晶。这时再结晶晶粒以速度v生长并消耗掉
40、变形组织中的位错密度。由于不断的变形，使再结晶晶粒内的位错密度以户的速度增长。在再结晶晶粒生长到再结晶结束时的终了尺寸dR之前，再结晶晶粒内的位错密度是否达到了c并引起下一周期的动态再结晶决定了流变应力曲线的形状。如果再结晶晶粒尺寸达到dR之前晶粒内的位错密度也达到c，则不同的再结晶过程相互叠加，呈连续动态再结晶性质，流变应力曲线具有一个最大峰值。反之，再结晶晶粒尺寸生长到dR，然后晶内位错密度才达到c，这样各再结晶过程互相独立，呈周期性动态再结晶，流变应力曲线表现出周期性抖动.再结晶晶粒长到dR的时间可用再结晶时间tR表示，且有因此当tRc时为周期性再结晶。参照式(2-7)可知，有式中pcv
41、是晶界迁移造成的位错消耗率;dRp/2是再结晶晶粒内的位错生成率。根据式(2-8)，当再结晶晶粒内的位错生成率小于变形基体内的位错消耗率时可获得周期性的动态再结晶，反之则得到连续性的动态再结晶。一般来说位错密度增长率正比于应变速度，因此有通常临界流变应力:。与位错密度的关系为因此结合式可如下计算再结晶晶粒生长的速度v式中m为运动率;p为驱动力。将式(2-8)至(2-10)代入式(2-11)整理后，对周期性动态再结晶可得式中常数Kpt为而对连续性动态再结晶则有由此可见，当变形速度s升高或晶界运动率m降低(如因温度降低或合金元素含量升高造成)时，易于造成连续性动态再结晶，反之则易成周期性动态再结晶
42、。需要说明的是，至今为止尚没有一个完整的动态再结晶理论能够同时描述动态再结晶所有的规律。人们今天仍在进一步研究动态再结晶理论，希望能够预测临界位错密度，并能断定不同材料发生动态再结晶的条件和过程27 28。2.2模型材料2.2.1概述普通质量非合金钢是指不规定生产过程中需要特别控制质量要求，但化学成分和力学性能必须保证在规定范围内，杂质（主要P、S等）必须在规定范围内。普通质量非合金钢合金元素只含碳，不含其他合金元素，也叫普通碳素钢。由于不含其他合金元素，工艺简单成本低、应用也较广，主要用于生产板、带、型等普通构件，大多不经热处理直接使用。碳素结构钢是钢中应用最多的、数量最大的。常轧制成板材、
43、型材及异型材，一般不需要经热处理直接使用。用于一般结构和工程。钢的牌号由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A,B,C,D）、脱氧方法符号等四部分按顺序组成。GB/T 7001988中的Q235就是一种常用的碳素结构钢。普通质量非合金钢是以碳素结构钢为主，与优质碳素结构钢相比，对碳含量、性能范围以及磷、硫和其他残余元素含量的限制较宽。YB/T 151普通碳素钢钢号和一般技术条件中规定，把普通碳素钢分为三类：甲类钢（A类钢），只保证力学性能，不保证化学成分；乙类钢（B类钢），只保证化学成分，不保证力学性能；特类钢（C类钢），既保证化学成分，又保证力学性能。特类钢常用于制造较重要的结
44、构件。经过修改后的GB/T 7001988碳素结构钢中取消了此前规定的甲类钢、乙类钢、特类钢分类方法，改为按质量等级分为A、B、C、D等四个等级，与国际标准接轨，在保证力学性能的同时放宽成分限制。非合金结构钢主要为碳素结构钢，它是占钢铁产量最大、品种最多、用途最广的钢种，是当前工程结构大量使用的主要原材料。据统计碳素钢占钢铁总产量约70%，碳素结构钢占碳素钢产量的绝大部分。2.2.2合金元素对Q235钢组织性能的影响29碳素钢中的基本元素是铁、碳、硅、锰、磷、硫。铁元素为基本元素。碳元素为碳素结构钢中重要元素，材料性能基本上由碳含量决定，当钢的组织相同时，其强度随碳含量的增加而提高，其塑性和韧
45、性则降低。钢中的组织成分随碳含量的不同而改变。对于碳素钢碳含量（质量分数）为0.8时热轧和正火后组织全部是珠光体；碳含量超过0.8的钢组织为二次渗碳体和珠光体；碳含量小于0.8的钢的组织由先共析铁素体和珠光体组成，成为亚共析钢。普通碳素结构钢的碳含量小于0.38为亚共析钢。对于亚共析钢，钢的硬度和强度几乎是随碳含量呈直线变化。碳的增加焊接性能显著下降，同时还会增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低钢的抗大气腐蚀能力。硅的脱氧能力比锰还要强，在常用的脱氧元素中仅次于铝，炼钢过程中硅铁是常用的脱氧剂。硅几乎全部溶于铁素体从而提高钢的强度、硬度、弹性，降低塑性、韧性，硅可以显著提高抗拉强度，小幅提高屈服强
46、度。碳素钢硅含量（质量分数）通常小于0.35。少部分硅元素存在于硅酸盐夹杂中。少量的硅仅作为杂质存在时对碳钢的性能作用不显著。硅提高钢的时效敏感性，提高韧脆转变温度。硅能提高抗氧化能力和抗腐蚀能力。锰是在炼钢时用锰脱氧和脱硫而残存在钢中的元素。一般认为锰是有益元素。锰大部分溶于铁素体，形成置换固溶体使铁素体强化；一部分锰溶于Fe3C中，形成合金渗碳体；锰还能增加珠光体的相对量，并使珠光体变细，这都会使钢的强度增加。锰与硫有很强的结合力，生成的MnS能减轻硫的有害作用，在普通碳素结构钢中需要留有一定的锰（一般锰含量为0.250.80），同时锰还有提高钢的淬透性作用。可以提高钢材强度，当锰含量降低
47、，只作为杂质元素时对强度影响不显著，对焊接性能影响不大。锰使钢的抗腐蚀能力减弱。磷是一种有害元素，是炼钢中带进来的杂质，磷在钢中可以全部溶于铁素体提高铁素体强度，但是由于碳元素的存在使磷的溶解度急剧下降，磷在钢中的扩散速度很慢，有可能在铁素体晶界上出现磷化铁薄膜，造成钢的脆性剧增，这种现象称之为“冷淬”，一般需要严格控制磷含量。磷在易切削钢中含量提高到0.080.15可以显著改善钢的易切削性能，当磷含量在0.1时就能改善建筑钢的抵抗大气腐蚀能力。磷使屈服点和屈强比显著提高，使塑性和韧性恶化，对焊接有不利影响。普通碳素结构钢中磷的含量国标规定不大于0.045，对钢的性能没有显著影响。硫在钢中是有
48、害杂质。硫不溶于铁，而以FeS形式存在，与Fe形成共晶，分布于奥氏体晶界上，其熔点为989。高温（10001200）热加工时发生熔化，使钢材变脆，成为“热脆”，需要严格控制硫含量。当硫含量在0.080.20时可以大幅改善钢的切削性能，发展成为含硫易切削钢。普碳钢国标规定硫含量不大于0.05。硫与锰结合形成硫化锰，一部分进入渣中，少部分残留钢中，形成夹杂物。硫化锰熔点1620，加热时不容易熔化，但对硫也必须控制在规定范围内，控制硫化物数量以免影响钢的性能。氮主要是在炼钢过程中从周围气氛中吸入钢液中。其残存的含量与钢的冶炼方法有关。氮可以固熔在铁素体中，氮和碳一样以间隙形式固熔，一起使低碳钢出现屈服点。氮在铁素
