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钢铁材料是最主要的工程结构材料之一,在国民经济中占据着非常重要的地位,其应用范围极其广泛,覆盖能源、交通、建筑、航空和国防等诸多领域。随着钢铁材料的深入应用,对其力学性能的要求也越来越高,特别是在厚大断面的特殊钢铁材料制备中,对其组织均匀性提出了更高的要求。而从宏观、介观以及跨尺度耦合模拟着手,结合实验表征,综合考虑热塑性加工方式对材料力学性能影响方面的研究却鲜有涉及。特别地,对于拥有厚大断面或者基于大压制比成形的结构零件,热加工过程中的工艺参数会直接影响材料显微组织的演化行为,从而最终影响钢铁产品的综合力学性能。因此,研究不同的热塑性加工方式对材料显微组织演化的影响就极其重要。本文以普通低碳钢为对象,研究了锻造和轧制过程中的钢铁构件成形中的微观组织建模及控制问题。利用125MN自由锻压机,锻造26t实物大锻件,并立足于宏观有限元模拟、介观尺度元胞自动机数值模拟以及宏观介观多尺度耦合计算方法,结合大件实物解剖和实验表征,研究了材料热加工过程中显微组织的演变,主要的研究内容包括:(1)基于宏观有限元模拟方法,建立了大型锻件锻造过程宏观有限元模型。结合实际的锻造加工工艺,模拟再现了 26t大锻件多道次锻造热塑性加工过程,得出了锻造加工过程中的温度场、应变场和应变速率场等随加工过程的变化情况,为进一步研究锻件内部的显微组织演变提供了参考数据。接着,基于宏观有限元计算结果,利用经验物理冶金模型,计算得出了锻件内部不同位置的显微组织情况。同时,对锻后尺寸为6500mm×1200mm的大锻件进行了解剖,并且开发出了大断面多级抛光技术和大断面冷酸腐蚀方法,获得大锻件中心断面的整体低倍组织;对大锻件典型位置进行更细致解剖,获得了典型位置的显微金相组织形貌。一方面,对比实验结果(锻件表面晶粒尺寸为18μm,心部晶粒尺寸为26μm)和模拟结果(锻件表面晶粒尺寸为19μm,心部晶粒尺寸为25μm),利用所建立的物理冶金模型,很好地预测了大锻件多道次锻造过程显微组织演变结果,;另一方面,对于大锻件锻造成形过程,材料整体塑性应变速率小,单道次绝对压下量大,有利于显微缺陷的闭合,同时,锻造过程累积变形量大,塑性形变时温度高(约为1150℃),有利于微观组织晶粒再结晶,从而细化晶粒。(2)为了研究低碳钢热加工过程中的微观组织行为,针对热变形中发生的奥氏体动态再结晶现象和相变过程,分别自主建立了介观尺度元胞自动机模型,所建模型综合考虑了热变形、位错密度演变、晶粒变形、形核与生长、晶粒粗化等一系列物理冶金转变过程,从转变过程出发描述低碳钢在热变形中的显微组织演变过程,弥补了宏观经验物理模型的不足。应用所建元胞自动机模型,模拟了不同应变速率(ε=0.01 s-1,ε=0.1 s-1,g=1s-1)和不同初始晶粒尺寸(20μm,40μm,80μm)下的动态再结晶行为,及不同预变形(ε0=0,e0=0.3,ε0=0.5,ε0=0.7,ε0=1.0)的相变行为。模拟结果如下:ε=0.01s-1时,稳态晶粒尺寸为4μm;ε=0.1s-1时,稳态晶粒尺寸为6μm,ε=1s-1时,稳态晶粒尺寸为9μm。虽然初始晶粒尺寸不同,稳态晶粒尺寸均为6μm。(3)提出了一种耦合宏观热变形的跨尺度的微观组织模拟与预报的方法,采用有限元模拟,获得多道次热轧变形过程中单元节点的温度、应变速率和应变等宏观物理场量的变化情况,基于自主建立的元胞自动机模型,进一步扩展了包含动态再结晶、亚动态再结晶和静态再结晶的热变形过程的微观组织演变的模型,该模型以位错密度为基本变量,通过追踪非连续热变形过程中元胞内位错密度的变化,模拟复杂再结晶过程中微观组织的演变,以1780mm热连轧机组的精轧过程为研究对象,利用该模型对多道次带钢热轧过程的微观组织演变进行了模拟。与宏观经验物理冶金模型相比,跨尺度热变形过程微观组织模拟方法能更清楚地反映热加工过程中各物理冶金转变现象的作用过程与显微组织特征。结果显示,多道次热轧过程中奥氏体再结晶受轧制参数的影响,即应变速率、应变量及温度等,因这些宏观场量在轧件中的分布不同,导致轧件不同位置处微观组织的不同,包括再结晶分数及平均晶粒尺寸等。在所采用的轧制工艺下,前两道次轧制后再结晶能完全发生,再结晶转变分数为1,而在其后各道次的轧制中,由于轧制速率的增加和温度的降低,再结晶不能完全发生,第7道次再结晶转变分数仅为0.2-0.4。在晶粒尺度上看,初始晶粒尺寸为190μm,经多道次轧制中再结晶的反复作用,晶粒获得细化,表面位置的晶粒尺寸为17μm,心部位置的晶粒尺寸为30μm。模拟结果能对热加工工艺的优化提供有利指导。