CN115775605A - 一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法。本发明通过热压缩模拟实验，借助DEFORM—Mat窗口处理数据，建立晶粒度仿真材料模型，并利用圆柱实验进行验证优化，同时结合生产现有工装、模具及工艺环境建立开坯锻造有限元模型，实现对高强度钢开坯锻造成形后晶粒尺寸大小和场分布的准确预测，最终利用仿真结果指导工艺进行优化。本发明中模型参数均在实验获得的实际数据上拟合获得，仿真参数均依据实验工艺及工况设定，对材料模型和有限元模型通过物理实验逐级验证，因此能够真实的反映材料的变形特性和生产工况，进而提高开坯锻造晶粒度预测的精确度，对生产工艺提供更准确的指导。

Description

一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法

技术领域

本发明属于高强度钢锻造成形技术领域，特别涉及一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法。

背景技术

大型关键承力件具有材料变形抗力高、锻件尺寸大、截面面积变化大、结构复杂等特点，一般是经过锻造制成。其锻造过程主要包括自由锻和模锻。自由锻又称为开坯锻造，大锻件开坯锻造的主要目的主要包括两点：一是成形；二是改善钢锭内部的质量，破碎钢锭中的粗大的铸态组织，均匀组织；锻合内部的缩孔，疏松等缺陷。最终获得组织均匀致密的坯料，为后续的锻件加工打下基础。

随着钢锭尺寸的增大，钢锭内部的偏析、夹杂、缩孔和疏松等缺陷会变得更加严重，若坯料经开坯锻造后，枝晶没有被充分破碎，或者由于变形不均匀带来的粗晶和混晶组织，这对后续承力结构件模锻过程来说都是潜在的安全隐患。因此，为保证大锻件的质量满足要求，就应该在钢锭开坯锻造时选择合适的锻造工艺，这样才能充分的破碎枝晶，通过再结晶获得均匀的组织，最终获得性能均匀的锻坯。

目前，关键承力结构件的生产制造过程主要还是依靠以前的现场锻造经验，这样不仅难以保证每件结构件的生产质量，而且如果锻件性能不合格，将会带来巨大的经济损失。在这种情况下，有限元模拟技术随之应运而生。

人们希望借助于有限元软件降低锻造成本并缩短生产周期。目前，有限元分析软件已经广泛的应用到实际生产中，借助于有限元分析技术，可以对锻件的成形过程进行模拟分析，得到锻件的流动速度场、温度场、等效应变场，再将其与现场的生产经验相结合，最终制定出最优的锻造工艺方案。

但目前来说，有限元模拟的应用成熟度更多体现在宏观角度(如尺寸、温度、应变)，更关注于热物性参数和边界条件研究。对于微观的晶粒度和组织分布，由于材料模型的准确性不高、现场成形工艺和工况等因素，有限元模拟预测与工程实际偏差仍然较大。同时，当前对铸态的高强度钢的热变形过程探究较少，其微观组织变化模拟计算时所需要的临界应变模型，再结晶动力学模型、再结晶体积分数百分比模型、晶粒长大模型研究相对较少，材料模型有所缺失。因此，有必要开展工艺实验，建立开坯锻造过程中铸态高强度钢的显微组织计算模型，提高有限元模拟的精确度，更准确的指导生产工艺优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法，该方法通过热变形本构方程、再结晶模型、晶粒长大模型研究的建立与优化，结合有限元模拟软件，可以有效提高高强度钢开坯锻造成形晶粒度预测的精确度；然后基于晶粒度模拟结果，对生产工艺进行优化。所述动态再结晶模型包括：再结晶动力学模型、再结晶体积百分数模型、再结晶晶粒尺寸模型。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法，包括：

通过热压缩模拟实验，获得高强度钢流变应力曲线，构建热变形本构方程；

通过DEFORM—Mat后处理窗口，根据实际热压缩模拟实验条件，设置参数，导入流变应力曲线，统计动态再结晶晶粒尺寸数据，拟合晶粒度模拟所需的动态再结晶模型；所述参数包括温度、应变速率、初始晶粒尺寸；

通过高强度钢加热及保温热处理正交实验，观察并统计晶粒尺寸变化，拟合建立奥氏体晶粒长大模型；

使用DEFORM—3D基础模块，导入建立的热变形本构方程、动态再结晶模型和晶粒长大模型，通过圆柱体试样镦粗实验，对模型进行验证优化；得到验证优化后的材料模型；

使用DEFORM—MO多工步模块，导入验证优化后的材料模型，结合生产现场工装、模具、工艺环境及设备参数，建立开坯锻造有限元模型，对锻件成形工艺过程进行仿真模拟，预测成形后的晶粒尺寸大小和场分布；

开展大规格锻件开坯锻造生产试制，记录生产过程中不同特征部位锻件温度和尺寸变化，解剖试制件统计晶粒度，并与模拟结果进行对比，验证优化有限元模型中的边界条件设定；得到优化后的有限元模型；

使用优化后的有限元模型，分析不同工艺条件下开坯锻造过程所对应的晶粒度大小和场分布，建立不同工艺参数下晶粒度分布的规律特性；

结合实际产品晶粒度等级要求，或以中心部位晶粒度最高等级为判据，指导设计开坯锻造成形工艺参数。

在工业上应用或者研发时，通过Gleeble热模拟压缩实验。

在工业上应用或者研发时；一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法，包括下述步骤：

步骤1，通过热模拟压缩实验，拟合获得高强度钢流变应力曲线，构建双曲正弦式的本构方程，其表达式为：

式中：

为应变速率；A为常数；α被称为应力因子(mm2·N-1)；n是应力指数；T表示变形温度(K)；σ表示流变应力(MPa)，通常取曲线上的峰值应力值；Q为材料的热激活能(KJ/mol)；R是气体常数(一般为8.314J/mol.K)；

步骤2，通过DEFORM—Mat后处理窗口，设置实验参数，导入流变应力和和动态再结晶晶粒尺寸数据，建立高强度钢动态再结晶模型，分别为：

再结晶体积百分数模型表达式：

式中：X_drx为材料动态再结晶的体积分数；ε_c为临界应变；ε_0.5是发生50％动态再结晶时的应变；ε为应变；β_d、k_d是材料常数，通过实验数据拟合获得；

再结晶动力学模型表达式：

式中：d₀为初始晶粒尺寸(mm)；T是变形温度(K)；Q₂是动态再结晶体积分数为50％时的热激活能(KJ/mol)；a、m、n₂、c是材料常数，通过试验数据拟合获得；

再结晶晶粒尺寸模型表达式：

式中：a₂、h、n₃、m₂、c₂均为材料常数，通过实验数据拟合获得；

步骤3，通过高强度钢热处理正交实验，观察热处理过程中组织变化，拟合建立高强度钢晶粒长大模型，其表达式为：

式中：D时平均晶粒尺寸(μm)；t是保温时间(s)；T为加热的温度(K)，R为气体常数(8.314J/mol·K)；Q₃为晶粒长大的热激活能(J/mol)；m₃和a₃为常数，通过实验数据计算拟合获得；

步骤4，使用DEFORM—3D基础模块，导入步骤1、步骤2、步骤3中所建立的高强度钢材料本构方程、再结晶模型、晶粒长大模型，对圆柱体试样镦粗过程进行仿真模拟，并与物理实验取样的晶粒度尺寸和分布结果进行对比，验证所构建的材料模型并优化，直到仿真与实验所得再结晶体积百分数误差小于15％、晶粒尺寸为同一等级；得到验证优化后的材料模型；

步骤5，使用DEFORM—MO多工步模块，导入步骤4中验证优化后的材料模型，建立大规格锻件开坯锻造有限元模型，对成形过程进行仿真模拟，并对比不同几何特征部位的温度、尺寸和晶粒度结果，验证所构建的大锻件开坯锻造有限元模型并优化，直到锻件温度和尺寸误差小于15％、晶粒度尺寸为同一等级；得到优化后的有限元模型；

步骤6，使用步骤5中优化后的有限元模型，对不同成形工艺下的大锻件开坯锻造过程进行仿真模拟，预测锻造成形后晶粒度大小和场分布，根据模拟仿真结果总结工艺参数与晶粒度结果的关联特性；

步骤7，结合实际产品晶粒度等级要求，或以中心部位晶粒度最高等级为判据，依据步骤6中的获得工艺参数与晶粒结果的关联特性，对开坯锻造成形工艺进行指导优化。

具体的，为便于拟合计算，引入了Z参数的概念，Z参数的物理意义为温度补偿后的应变速率因子，其表达式为：

其中

是应变速率；Q是材料的热激活能(KJ/mol)，R是气体常数(一般为8.314J/mol.K)，T表示变形温度(K)；

具体的，借助DEFORM-Mat材料处理窗口，使用Properties-JMAK Model功能，根据所开展压缩实验的工艺参数，设置温度、应变速率、初始晶粒尺寸等参数，导入流变应力曲线和不同工艺参数下的动态再结晶晶粒尺寸数据，建立高强度钢热变形过程中动态再结晶模型。

具体的，在开展高强度钢加热及保温热处理正交实验后，统计初始晶粒度-加热温度-保温时间-晶粒度关联数据，导入DEFORM-Mat材料处理窗口，拟合建立晶粒长大模型。在本发明中将统计的初始晶粒度-加热温度-保温时间-晶粒度关联数据导入DEFORM-Mat材料处理窗口时，所述关联数据是指：初始晶粒度在某一加热温度以及某一保温时间下晶粒度对应的变化情况(包括变化值)。

具体的，使用DEFORM—3D基础模块，导入建立的动态再结晶模型和晶粒长大模型，通过圆柱体试样镦粗试验，对高强度钢材料模型进行验证优化。

具体的，在圆柱体试样镦粗模拟时，依据实际物理实验过程中的转运时间和摩擦润滑条件设置仿真参数，转运时间设置为15s，模具与坯料间的摩擦系数设为0.18；上模运动速度为2mm/s，变形量分别为40％。

具体的，使用DEFORM—MO多工步分析模块，建立大规格锻件开坯锻造成形工艺过程有限元模型，模拟大锻件成形过程，并开展大锻件试制，对比不同几何特征部位的实验数据和仿真预测结果，对有限元模型进行验证优化。

具体的，使用验证优化后的有限元模型，对不同工艺参数下的开坯锻造过程进行有限元模拟，获得工艺参数与晶粒度分布的关联特性，根据产品实际晶粒度需求，或以产品中心处晶粒度等级高为判据，对工艺进行优化。

建立开坯锻造有限元模型时，考虑到的生产现场工装、模具、工艺环境，包括工装、模具的几何形状和尺寸、生产转运时间、模具与坯料间的换热系数和摩擦系数、设备的运动速度、最大载荷和道次进给量等等。

工业上应用时，对所得优化后的工艺，一般还要进行实验验证。

本发明通过材料本构方程、动态再结晶模型、晶粒长大模型的建立与优化，结合DEFORM有限元模拟软件，使用圆柱体镦粗实验验证并优化材料模型，使用大规格锻件开坯锻造试制验证优化有限元模型，实现对高强度钢开坯锻造成形后晶粒尺寸大小和场分布的准确预测，利用仿真结果总结工艺参数对晶粒度分布的关联特性，最终结合实际产品晶粒度需求，指导工艺设计及优化。

原理与优势：

本发明建立了热变形本构方程、再结晶模型、晶粒长大模型，模型参数均为通过实验获得的实际数据并进行优化后获得，模拟中使用的仿真参数均依据实验工艺及工况设定，材料模型和有限元模型通过圆柱体镦粗和大锻件开坯锻造试制逐级验证优化。因此，能够真实的反映材料的变形特性和实际生产工况，进而提高开坯锻造晶粒度预测的精确度，对生产工艺提供更准确的指导。

附图说明

为更清楚的说明本发明实施案例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是试样热压缩前后尺寸示意图；

图2是镦粗验证用圆柱体试样有限元模型图；

图3是300M钢圆柱体试样镦粗模拟的应变分布和动态再结晶平均晶粒尺寸；

图4是300M钢圆柱体试样不同位置金相组织对比图；

图5是大规格锻件开坯锻造后的的金相分布图；

图6是不同工艺参数下锻件开坯锻造后晶粒度分布对比云图；

图7为不同工艺参数下晶粒度占比累计分布图；

图8为锻件内部长、宽、高三向截面上晶粒度大小；

图9为实施例2中模拟计算所得方坯晶粒尺寸图；

图10为实施例2中实际锻坯所得方坯图；

图11为实施例2中实际锻坯的表征图。

图1中，a为试样热压缩前的试样尺寸示意图；b为试样热压缩后的试样尺寸示意图。

从图2中可以看出镦粗验证用圆柱体试样有限元模型。

图3中，a为应变分布云图；b为动态再结晶平均晶粒尺寸模拟图。

图4中，a为300M钢圆柱体试样镦粗后R/2位置的金相图；b为300M钢圆柱体试样镦粗后中心位置的金相图。

图5中，a为成形方坯表层的金相分布图；b为成形方坯芯部的金相分布图。

图6中，a为不同工艺参数下开坯锻造所得产物表面的晶粒度分布图；b为不同工艺参数下开坯锻造所得产物芯部的晶粒度分布图。

图7中可以看出不同工艺参数下，锻件内部不同晶粒度等级的区间占比。

图8中，a为沿中轴线长向截面上晶粒度大小；b为中轴线中段的高向截面上晶粒度大小；c为中轴线中段的宽向截面上晶粒度大小。

通过图9、10、11的结合可以看出实际锻坯的晶粒尺寸与模拟结果相当，晶粒度为5.5～6级。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

实验用锻件材料为300M钢，模具材料为55NiCrMoV7，仿真模拟软件为DEFORM-3D。

1.300M钢热压缩模拟实验

300M的真应力-应变曲线采用热压缩模拟实验获得，试样尺寸为

变形温度800～1200℃，应变速率0.001、0.01、0.1、1、10s^-1。热压缩模拟实验在Gleeble3800上进行，试样压缩前后的尺寸如图1所示。

2.300M钢本构方程拟合

在拟合本构方程时，为便于计算，引入了Z参数的概念，Z参数的物理意义为温度补偿后的应变速率因子，其表达式如说明书式(6)所示，利用获得的流变应力曲线，并结合说明书中式(1)、式(6)，得到Q＝406363、α＝0.007、A＝8.57×10¹⁶、n＝9.26；得到双曲正弦式的本构方程；

3.300M钢动态再结晶模型拟合

借助DEFORM-Mat材料处理窗口，使用Properties-JMAK Model功能，设置所开展压缩实验的温度、应变速率、初始晶粒尺寸等参数，统计不同变形条件下动态再结晶平均晶粒尺寸变化，导入流变应力曲线，拟合获得说明书中式(2)再结晶体积百分数模型的β_d＝0.8和k_d＝2、式(3)再结晶动力学模型的a＝0.005、m＝0.125、n₂＝0、Q₂＝26128和c＝0、式(4)再结晶晶粒尺寸模型的a₂＝13.14、h＝1、n₃＝0.1608、m₂＝-0.2345和c₂＝0等参数值；得到再结晶体积百分数模型、再结晶动力学模型、再结晶晶粒尺寸模型。

4.300M钢晶粒长大模型的建立

开展高强度钢加热及保温热处理正交实验时，其加热温度设计包含热变形过程中的实际温度区间，保温时间分别为15min、30min、60min和120min，统计建立初始晶粒度-加热温度-保温时间-晶粒度关联数据库，通过实验数据计算拟合获得说明书中式(5)中Q₃＝462000、m₃＝4.24和a₃＝4.28×10²¹等参数值，得到晶粒长大模型。

5.圆柱体试样镦粗模拟与实验验证

将建立的铸态300M钢的材料模型导入到使用DEFORM—3D材料库中(即将建立的高强度钢材料本构方程、再结晶模型、晶粒长大模型导入到使用DEFORM—3D材料库中)，建立圆柱体试样镦粗有限元模型，如图2所示。同时，依据实际物理实验过程中的转运时间和摩擦润滑条件设置仿真边界条件，转运时间设置为15s，模具与坯料间的摩擦系数设为0.18；上模运动速度为2mm/s，变形量分别为40％。利用DEFORM对圆柱体试样镦粗过程进行模拟，获得镦粗完成后应变分布云图和再结晶平均晶粒尺寸如图3所示。

实验中，圆柱体试样镦粗后立即用钳子将其浸入水中已保留高温下的变形态组织，用线切割在试样中心面上R/2、中心位置分别切取金相试样，镦粗后对应的微观组织如图4所示。通过对比可以发现，利用所建立的材料模型进行数值模拟得到的显微组织分布与实验结果满足误差要求(误差要求是：直到仿真与实验所得再结晶体积百分数误差小于15％、晶粒尺寸为同一等级)，得到验证优化后的材料模型。图4a试样中心发生完成动态再结晶，平均晶粒尺寸约为49um；图4b中心面R/2位置没有发生完全再结晶，其平均晶粒尺寸大于中心位置，约为78um，是中心区域平均晶粒尺寸的1.5倍左右。

6.大规格锻件开坯锻造模拟与试制验证

使用DEFORM—MO多工步模块，导入验证优化后的材料模型，结合生产现场工装、模具、工艺环境及设备参数，建立开坯锻造有限元模型，对锻件成形工艺过程进行仿真模拟，预测成形后的晶粒尺寸大小和场分布；开展大规格锻件开坯锻造生产试制，记录生产过程中不同特征部位锻件温度和尺寸变化，解剖试制件统计晶粒度，并与模拟结果进行对比，验证优化有限元模型中的边界条件设定；直到仿真与实验所得再结晶体积百分数误差小于15％、晶粒尺寸为同一等级；得到优化后的有限元模型；

使用优化后的有限元模型，分析不同工艺条件下开坯锻造过程所对应的晶粒度大小和场分布，建立不同工艺参数下晶粒度分布的规律特性；

结合实际产品晶粒度等级要求，或以中心部位晶粒度最高等级为判据，指导设计开坯锻造成形工艺参数。

结合生产现场工装、模具、工艺环境及设备参数，包括工装夹具、模砧等几何形状与尺寸参数，设定转运时间、换热系数、摩擦系数、运动速度和道次进给量。其中，成形所用上模尺寸为Φ2500×200mm，漏盘所用尺寸为Φ2500×Φ410×600mm，上下平砧尺寸为2500×900×200(L×W×H)，镦粗压下量50％；每次拔长每次压下量为10-20％，送进量为600mm，转运时间为90s，摩擦系数0.3，模具与坯料换热系数1，坯料与空气换热系数0.02，成形工艺为六镦六拔。利用DEFORM—MO进行成形工艺模拟，获得开坯锻造完成后的温度场、应变场、晶粒度场分布情况。

大规格锻件试制完成后即进行解剖取样，分别在钳端、锻件主体中心、锻件主体表面等不同特征几何位置取样，观察其微观组织。试制产品所得的表征如图5所示，分别为式样成形后表层与芯部的金相组织对比。可以看到表层晶粒尺寸小于芯部，同时表层及芯部的晶粒度等级均达到7级以上，这与有优化后的限元模型的仿真结果在规律上保持一致，验证了所建立的晶粒度仿真模型的正确性和适用性。

7.不同工艺参数对应的晶粒度分布特性

根据过往产品工艺设计及实际生产经验，初步拟定方坯四种开坯锻造成形工艺方案，基于已建立的开坯锻造有限元模型，对不同方案的锻造成形过程进行仿真。其中：方案①为五镦五拔+拔长成形；方案②为六镦六拔+拔长成形；方案③四镦+拔长+方坯镦粗30％+拔长成形；方案④五镦+拔长+方坯镦粗30％+拔长成形。四种工艺方案成形后的晶粒度分布云图如图5所示；四种工艺方案成形后锻件内部不同晶粒度等级的区间占比如图6所示。

可以看到，方坯中晶粒度分布由钳把端和自由端向中间减小，由表面向内部增加。钳把端和自由端由于受到端面的影响，应变较小，动态再结晶程度小，晶粒较大；中间部位应变较大，动态再结晶程度大，晶粒尺寸较小，但方坯中温度降低，所需临界应变较大，因此导致动态再结晶程度变小。

方案2对比方案4，方案2中的应变总体大于方案4，但方案2中的小晶粒度占比为84.67％，小于方案4中的小晶粒度占比87.73％。因此，判断此次模拟中温度对于晶粒度的影响大于应变对晶粒度的影响。

方案1对比方案2，火次结束后温度分布相近，但9级以上晶粒度，方案2中占比为72.44％，方案1为65.06％；8级以上晶粒度，方案2中占比为79.29％，方案1为76.47％。因此，判断锻件内应变大小和均匀性的增加有益于获得更小的晶粒度。

方案1对比方案3，方案3中的温度占比和温度分布都高于方案1，但9级以上晶粒度，方案1中占比为65.06％，方案3为35.03％；8级以上晶粒度，方案1中占比为76.47％，方案3为61.22％。因此，对于温度高的方坯，需要增大应变来驱动动态再结晶，避免晶粒长大。

8.基于晶粒度模拟结果优化开坯锻造工艺

本次仿真的产品晶粒度要求为：除钳把和自由端外，锻件主体长、宽、高三向晶粒度等级均不低于七级。依据要求，结合图8所示不同工艺参数下的晶粒度分布，选取合适的开坯锻造工艺。

首先，在沿中轴线上的长向截面上，粗大的晶粒尺寸分布在中轴线中段位置，晶粒尺寸由低到高依次为方案2＞方案4＞方案1＞方案3。方案2有85％以上长度晶粒度等级为8级以上，有100％长度晶粒度等级为7级以上；而方案1、方案4在2000mm中段位置晶粒度低于7级，方案3晶粒度甚至低于6级。

其次，在中轴线中段的径向截面上，晶粒尺寸由低到高的次序和中心轴一样，在时，方案2有100％的高度其晶粒度为8级以上，方案4在200-300mm处晶粒度低于8级，但也有100％高度达到晶粒度为7级以上，方案1和方案3的径向截面中心晶粒度低于7级。

最后，在中轴线中段的宽向截面上，方案2有100％的宽度可以满足要求；方案4在200-800mm处出现存在晶粒不满足要求。在晶粒度要求为7级以上时，方案4中有100％高度可以满足要求。

根据以上结果，可以确定，方案②六镦六拔+拔长在方坯成形后可以获得复合要求的晶粒度大小和场分布，除钳把端和自由端外，其晶粒度等级100％达到7级以上。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

实施例2

按照实施例1中步骤7中的方案2，将铸锭加热温度提高100℃，采用同样方案开坯锻造模拟后，方坯内部晶粒尺寸成倍增加，方坯晶粒尺寸为49～96um(如图9所示)。而实际锻坯如图10所示，晶粒尺寸与模拟结果相当，晶粒度为5.5～6级(如图11所示)。

Claims (10)

1.一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法，其特征在于，包括：

通过热压缩模拟实验，获得高强度钢流变应力曲线，构建热变形本构方程；

通过DEFORM—Mat后处理窗口，根据实际热压缩模拟实验条件，设置参数，导入流变应力曲线，统计动态再结晶晶粒尺寸数据，拟合晶粒度模拟所需的动态再结晶模型；所述参数包括温度、应变速率、初始晶粒尺寸；

通过高强度钢加热及保温热处理正交实验，观察并统计晶粒尺寸变化，拟合建立奥氏体晶粒长大模型；

使用DEFORM—3D基础模块，导入建立的热变形本构方程、动态再结晶模型和晶粒长大模型，通过圆柱体试样镦粗实验，对模型进行验证优化；得到验证优化后的材料模型；

使用DEFORM—MO多工步模块，导入验证优化后的材料模型，结合生产现场工装、模具、工艺环境及设备参数，建立开坯锻造有限元模型，对锻件成形工艺过程进行仿真模拟，预测成形后的晶粒尺寸大小和场分布；

开展大规格锻件开坯锻造生产试制，记录生产过程中不同特征部位锻件温度和尺寸变化，解剖试制件统计晶粒度，并与模拟结果进行对比，验证优化有限元模型中的边界条件设定；得到优化后的有限元模型；

使用优化后的有限元模型，分析不同工艺条件下开坯锻造过程所对应的晶粒度大小和场分布，建立不同工艺参数下晶粒度分布的规律特性；

结合实际产品晶粒度等级要求，或以中心部位晶粒度最高等级为判据，指导设计开坯锻造成形工艺参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法，其特征在于：在拟合本构方程时，引入了Z参数的概念，Z参数的物理意义为温度补偿后的应变速率因子，其表达式为：

其中

是应变速率；Q是材料的热激活能，单位为KJ/mol，R是气体常数，T表示变形温度，单位为K。

3.根据权利要求1所述的一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法，其特征在于：借助DEFORM-Mat材料处理窗口，使用Properties-JMAK Model功能，设置参数并导入流变应力曲线，统计动态再结晶晶粒尺寸数据，建立高强度钢动态再结晶模型和晶粒长大模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法，其特征在于：开展高强度钢加热及保温热处理正交实验，将统计的初始晶粒度-加热温度-保温时间-晶粒度关联数据导入DEFORM-Mat材料处理窗口，建立晶粒长大模型。

5.根据权利要求1所述的一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法，其特征在于：使用DEFORM—3D基础模块，导入本构方程、动态再结晶模型和晶粒长大模型，通过圆柱体镦粗实验对材料模型进行验证优化。

6.根据权利要求1所述的一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法，：圆柱体试样镦粗模拟时，依据实际物理实验过程中的转运时间和摩擦润滑条件设置仿真参数，转运时间设置为15s，模具与坯料间的摩擦系数设为0.18；上模运动速度为2mm/s，变形量分别为40％。

7.根据权利要求1所述的一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法，其特征在于：使用DEFORM—MO多工步分析模块，导入优化后的材料模型，结合生产现场工装、模具、工艺环境及设备参数等因素，建立开坯锻造有限元模型，通过大规格锻件试制对有限元模型进行验证优化。

8.根据权利要求1所述的一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法，其特征在于：记录成形过程中锻件中心、表面、变截面等不同特征几何部位的温度及尺寸演变，解剖样件统计晶粒度大小，并与模拟结果进行对比。

9.根据权利要求1所述的一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法，其特征在于：使用验证优化的有限元模型，对不同工艺参数下的开坯锻造过程进行有限元模拟，预测成形后的晶粒尺寸和场分布，获得不同工艺参数下晶粒度分布特性。

10.根据权利要求1所述的一种基于晶粒度模拟的高强度钢开坯锻造工艺优化方法，其特征在于：根据产品晶粒度模拟结果，根据实际需求所需晶粒度等级，对工艺进行优化；或以产品中心处晶粒度等级高为判据，对工艺进行优化。

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