第1章 绪论
本章首先简要概述了环形零件轧制以及该技术在国内外的研究现状。其次介绍了有关材料微观组织演变规律研究的研究现状，并通过综合比较概述了微观组织演变规律研究的特点。最后结合介绍高颈法兰的封闭轧制成形技术，对比传统的加工工艺，阐明对于开展高颈法兰微观组织演变规律研究的必要性。根据以上的内容介绍，确定了本文的主要研究内容。
1.1 环形零件轧制技术研究现状
环形零件热辗扩技术是一种生产无缝环形零件的复杂金属塑性成形过程的现代成形技术，努力朝着现代国际形势下对于数字化、高效性、精密成形质量以及低耗绿色的方向发展，同时该项技术具有的环境友好化发展方向拥有广阔的开发前景和发展需要。环形零件的热辗扩技术是通过不断对通过由驱动辊和芯辊构成的局部坯料进行的连续轧制碾扩过程，使得截面形状从大断面转变为小断面、坯料直径也由小变大逐渐辗扩成为满足设计要求的环形件的形状和尺寸。
十九世纪中后期迅猛发展的铁路运输业服务系统，促使运载火车的车辆行驶速度向新的高度提升，同时车辆的载重量也相应的出现了大幅度的提高，这就要求火车轮毂的需求量和质量应当满足当时铁路行业的要求。伴随着铁路运输业的迅猛发展，环形零件的新生产工艺，即碾环工艺应运而生。世界上的第一台轮毂轧机是英国在 1842年建造的，主要用于完成火车轮毂的生产，这代表着环形零件轧制技术得以实际应用。二十世纪期间环形零件轧制技术的发展速度和推广力度都得到了迅速的提升。至今环形零件轧制技术的使用主要出现在各类无缝环形零件的加工生产中，已被广泛应用于许多行业领域如交通运输业、机械加工承重轴承配件行业、石化行业的能源传送法兰连接件以及航空航天等。
曼彻斯特科技大学 W.Johnson 等人在二十世纪六十年代时开展了两辊轧机上的环形件轧制实验，针对不同工艺参数，开展了对应力应变规律、轧制力及轧制力矩等多个方面的研究，其研究成果为推动环形零件轧制技术的研究奠定了理论基础。英国学者 J.B.Hawkyard以及 A.G.Mamalis等人在二十世纪七十年代通过验证得知板带轧制理论并不适合于环形零件轧制，因此需要根据环形零件轧制技术自身的特点重新建立环形零件轧制理论。
1.2 金属材料微观组织研究现状
环形零件热辗扩技术的产品生产是一个高温环境下的塑形变形过程，其涉及到传热、变形以及材料微观组织变化的复合耦合关系。通过对金属材料的热加工以及后续处理工艺的优化，可以显著的改善产品的组织结构，提高产品的综合性能。金属材料的热加工过程中再结晶的控制是此种材料获得比较优异显微组织的关键，也是后续热处理工艺以及最终产品力学机械性能的基本条件。因此开展控制金属材料在热加工工艺过程中的再结晶动力学和晶粒尺寸研究是对于特定实验材料热加工的重要环节。
法兰产品的内在和外在质量共同决定了其质量的优劣，外在质量可以通过实验仪器等进行定性的尺寸、性能的测量，但是内在质量在产品的选材、成形、焊接，表面处理等方面不合理，以及各工序质量控制不严格而隐含于产品的内部造成宏观或微观、有形或无形的缺陷。这种缺陷会在产品的运输、贮存以及使用过程中暴露出来，进而导致产品的使用失效。在材料成形过程中直接进行微观组织演变的观察相对困难，随着现代计算机技术的迅速发展，借助计算机软件进行数值模拟仿真，通过材料加工的物理性模拟实验获得微观组织演变的相关实验数据，同时选用合适的组织变化计算的数学模型，从而可以预测金属塑性成形过程中晶粒的尺寸、形状以及分布等变化情况。
在再结晶定量计算的模型中，变形温度、应变、应变速率均为重要的过程参量，因此一个完整的再结晶模型需要考虑以上三个参量对微观组织演变过程的影响。早在七十年代开始，国内外的众多学者结合材料在变形过程中的微观组织演变同有限元理论，针对微观组织在热轧和冷却过程中的演变规律问题，建立了多种有限元微观组织演变模型，比如：
第2章 材料成形微观组织研究基础
2.1 材料成形物理模拟与数值模拟技术
2.1.1 材料物理模拟基本概念及研究意义
物理模拟是一个广义的概念，它作为一种重要的科学方法同时也是工程中开展研究必不可少的手段之一。通常情况下开展“物理模拟”实验是借助于对材料加工比例的改变，比如放大或者缩小；对加工条件的简化；对实验材料进行等效的研究替换；采用试验模型来替代原始的加工模型。
在材料的成形加工以及热加工工艺领域，进行相对应的物理模拟实验时，通常情况下是使用比原始加工工艺要求小的多的试件，借助于某种实验装置（目前使用最多的是 Gleeble 热/力模拟试验机，其型号根据研究开发 分 别 包 含 Gleeble-1500、Gleeble-2000、Gleeble-3200、Gleeble-3500 以 及Gleeble-3800 数字控制热/力模拟试验机）模拟实验材料在同样的变形、受热以及受热传力的物理性能变化过程，通过信息采集以及分析软件进行记录，从中提取实验材料以及相应结构构件在热加工过程中材料力学性能和微观组织等的变化规律，从而有效的分析和判断实验材料在成形以及热处理加工中出现的问题，同时可以为加工工艺的合理制定以及新材料的研发提供相应的理论依据和技术指导。对于物理模拟试验的分类通常包括两种情况，一类是在模拟过程中进行的试验，另一类是模拟完成后进行的试验。
最早时候采用纯粹的经验性实地实验方法，用于评定生产中某工艺方案对于某种实验材料性能或者是加工出来的产品质量等的影响，使得在材料工程的科学研究中以及工程机械零件结构部件的生产加工中耗费了大量的人力、财力，而且所得到的研究成果只是特定于进行实地操作实验的特定情况，难以形成广泛领域范围内的研究成功，不适合对于普遍性问题探索的开展，同时较长的研发周期，滞后了新材料、新技术以及新产品的开发和应用。
2.2 金属材料微观组织演变研究
现代工业的发展对于金属材料的使用性能提出了新的要求，提高金属材料的综合使用性能是当代科技进步环境下迫在眉睫需要解决的问题之一。金属材料的使用性能是其材料本身微观织构的宏观表现，其根据材料本身的成分不同而不同，同时在材料生产过程中形成的组织特征不同而有一定的差异。金属材料内部组织的晶粒尺寸大小、晶粒取向、晶粒形状、晶粒缺陷结构以及多相组织中的各项分布等共同反映了金属材料微观组织的特征。
2.2.1 金属材料热变形阻力
金属材料的热变形力学行为（即变形时的变形阻力的大小）是指其微观变形机制行为以及变形过程中组织演变方式的宏观反映，其中金属材料的化学成分组成和金属材料的组织构成是材料本身对于金属材料热变形力学行为影响的因素，在变形过程中的影响因素主要包括形变温度、应变速率、变形程度以及与这些有关的各个过程量等。金属材料在微观组织的演变过程中发生的加工硬化以及软化机制中所包含的动态回复、动态再结晶，以及变形间隔中发生的静态回复、静态再结晶都受到上述因素之间相互关联的影响。通过图 2.1可以直观的反应出变形阻力的主要影响因素。而描述材料的变形阻力与应变速率、变形温度等宏观热力参数之间的函数关系一般采用热变形本构方程的形式。
针对金属塑性变形阻力的研究从上个世纪二、三十年代开始，伴随着金属压力加工生产的开展而兴起，经过八、九十年的研究科研工作者在这方面已经取得了显著的成果。世界各个国家从事金属压力塑性加工理论研究工作者和现场工程技术人员经过长期的不懈努力，以及针对变形阻力做了大量的理论探讨和实验研究。随着金属压力加工生产的开展，针对金属塑性变形阻力的研究逐渐从表面的粗浅研究发展到了深入的层次，从单角度单层次的片面性转变为多角度多层次的全面性。
第3章 高颈法兰封闭轧制成形宏微观有限元建模.....................18
3.1 引言.................... 18
3.2 DEFORM 有限元软件............. 18
3.3 DEFORM-3D 内建立材料模型 ............... 21
第4章 高颈法兰封闭轧制场变量研究......................37
4.1 高颈法兰封闭轧制影响因素............... 37
4.2 工艺参数设置 ................. 38
4.3 轧制过程中场量变化及分布规律 ................... 38
第5章 高颈法兰封闭轧制微观组织演变研究...............48
5.1 研究方法和研究对象 ............... 48
5.2 高颈法兰封闭轧制成形全过程微观组织演变规律 .................. 49
第5章 高颈法兰封闭轧制微观组织演变研究
高颈法兰封闭轧制成形是一个受多种因素交互影响的宏微观变形耦合的成形过程，高颈法兰的最终使用性能、使用寿命等主要取决于内部微观组织的形态、形貌以及分配比例情况。高颈法兰产品在封闭轧制成形的过程中的轧制工艺参数对于宏观产品的外形尺寸等存在影响的同时，对于微观组织的演变也同样存在直接影响作用。由于法兰在变形过程中属于是局部、连续、多道次反复轧制，非变形区在高温状态下的静态停留时间较短，即道次间隔时间短，动态再结晶发生比例的大小直接影响了法兰产品最终晶粒尺寸的大小及其分布。
5.1 研究方法和研究对象
本文有限元模型的创建都是在 DEFORM-3D 有限元软件中完成，借助软件后处理里面的点跟踪功能可以研究定位到法兰坯料特殊位置点的动态再结晶体积分数、动态再结晶晶粒尺寸、平均晶粒尺寸以及再结晶体积分数等的变化情况。跟踪点的位置定义同样如图 4.12一样，因此对坯料整体的所有位置都有覆盖。
在 4.1 节介绍了高颈法兰封闭轧制成形过程中的众多影响因素，此处假设在驱动辊外形尺寸和坯料尺寸确定的情况下，影响动态再结晶发生的主要工艺参数包括三方面为：驱动辊旋转速度、芯辊进给速度以及坯料初始温度。本文的轧制工艺参数如第四章 4.2 节设置，实验材料的参数输入如第三章 3.5.2节进行输入。对于上述三个工艺参数按照以下两方面的思路进行研究：
（1）选取初始温度 1050℃、驱动辊转速 6rad/s以及芯辊进给速度 0.9mm/s对高颈法兰封闭轧制成形全过程中微观组织的演变规律进行研究。
（2）三因素中某两个因素确定，研究单因素所引起的微观组织演变规律的影响。
第6章 结论与展望
6.1 结论
本文基于金属塑性成形的体积不变原理，通过 Proe 三维软件建立三维模型，结合运用 DEFORM有限元软件的二次开发接口，成功将 40Cr钢材料的微观组织变化模型嵌入到有限元软件中，构建了关于高颈法兰封闭轧制成形的宏微观有限元仿真模型，开展了高颈法兰微观组织演变规律的研究，揭示了不同工艺参数下高颈法兰宏微观成形的演变规律。
本文取得的主要研究成果如下：
（1）根据开发 DEFORM 软件微观组织仿真所需的必备条件、改动相应的用户子程序结构内容以及对 DEFORM 软件内部进行相应设置，完成了针对有限元软件二次开发的相关内容研究。为后期进行相关工作的科研工作者提供了相对比较详细的指导教程和方法。
（2）以 DEFORM软件为平台，有效的完成宏微观有限元模型的建立。并通过后续的研究工作验证了微观模块开发的有效性和准确关系。通过对轧制过程中应力场、应变场以及温度场的研究，得出坯料在整个轧制过程中等效应力最大的地方集中出现在驱动辊、芯辊构成的封闭轧制孔型内，随轧制的进入稳定轧制阶段后，坯料最大应力分布整体处于稳定状态，应力波动幅度不大。轧制过程中坯料的温度变化在 1100℃上下的范围浮动，温度降低最明显的地方出现在法兰颈部的顶端。
（3）在整个轧制过程研究的基础上开展工艺参数的单因素分别驱动辊转速、芯辊进给速度和合适的初始温度区间范围三因素对微观组织的变化存在重要影响，对于动态再结晶的发生具有促进作用，在满足宏观成形的基础上应当根据工艺参数对产品质量有利的方向进行改进，从而能够获得更加优良的产品质量。并且当初始温度在 1000℃-1050℃、驱动辊转速为6rad/s 以及芯辊转速为 0.9mm/s 时，最后成形的产品平均晶粒尺寸最小可以达到 11.3μm。
参考文献（略）