金属环件短流程铸辗复合精确成形工艺,在传统环形零件生产工艺的基础上进行突破性地改进,具有短流程、节能、节材、高效、低成本、环保等显著优势。然而,该工艺是集三维连续渐变、非对称、非稳态、宏微观耦合与热力耦合等特点的高度综合性问题。因此传统的经验模型或唯象数学模型不足以描述该过程的微观组织演变。本文在国家自然科学基金重点项目“环形零件短流程铸辗复合精确成形新工艺理论与关键技术”(NO.51135007)等项目的支持下,以铸态42CrMo钢为研究对象,建立了初始晶粒组织、动态再结晶过程、亚动态再结晶和静态再结晶过程的元胞自动机模型。结合独立成分分析法,提出了考虑结构独立性的晶粒拓扑变形技术。探索将有限元分析方法和元胞自动机法这两种不同空间层次相结合,跨宏微观尺度对环件整体或其不同位置进行分别建模。论文的主要研究内容如下:(1)针对正回火处理之后的铸态42CrMo钢,通过Gleebe-1500D热模拟实验机进行单道次和双道次热压缩实验,并依据加工硬化-动态回复阶段、动态再结晶阶段分别建立铸态42CrMo钢流变应力模型,研究铸态42CrMo钢热变形行为。同时配合进行金相实验,通过VEX-600E金相显微镜观察铸态42CrMo钢在不同变形条件下的微观组织形貌。进而确定建立微观组织演变元胞自动机模型和宏观有限元模型的材料参数。(2)晶粒长大元胞自动机模型,以现有的晶粒长大的热力学机制和能量耗散机制为基础,同时引入了独立成分分析法,制定符合奥氏体晶粒长大物理机制的元胞转变规则,从而获得满足晶粒长大动力学和拓扑学特性的动态再结晶前初始晶粒组织。以此模型对奥氏体状态的晶粒长大过程进行模拟,所获得的晶粒组织符合晶粒长大的拓扑形貌特征,这为进一步建立铸态42CrMo钢动态再结晶元胞自动机模型奠定了基础。(3)动态再结晶元胞自动机模型,在研究再结晶形核、位错密度和晶粒长大理论模型的基础上,考虑了晶粒拓扑结构重叠的问题,提出了优化的晶粒拓扑变形技术,并制定了动态再结晶元胞转变规则,进而构建出能够模拟动态再结晶过程的铸态42Cr Mo钢动态再结晶元胞自动机模型。通过该模型对不同应变、应变速率和变形温度条件下铸态42CrMo钢的动态再结晶行为进行模拟,验证了该模型对材料的流变应力特征和微观组织形貌的预测能力。(4)亚动态再结晶元胞自动机模型,根据热变形过程中亚动态再结晶行为特征,研究了亚动态再结晶和静态回复理论模型,结合了考虑晶粒拓扑重叠问题的晶粒拓扑变形技术,构建了铸态42CrMo钢亚动态再结晶元胞自动机模型。通过该模型对不同应变速率和变形温度条件下铸态42Cr Mo钢的亚动态再结晶行为进行模拟和验证。(5)静态再结晶元胞自动机模型与亚动态再结晶元胞自动机模型的建立采用了近似的元胞转变规则,以热变形过程中静态再结晶行为为基础,研究了静态再结晶、静态回复和晶粒粗大理论模型,结合了考虑晶粒拓扑重叠问题的晶粒拓扑变形技术,构建了铸态42Cr Mo钢静态再结晶元胞自动机模型。通过该模型模拟了不同应变速率和变形温度条件下铸态42Cr Mo钢的静态再结晶行为,验证了所构建的静态再结晶元胞自动机模型描述材料的微观组织演变特征的准确性。(6)对金属环件铸辗复合成形工艺宏微观跨尺度建模方法进行探索。将有限元分析方法和元胞自动机法这两种不同空间层次相结合,跨宏-微观尺度对环件整体或其不同位置进行分别建模,实现一方面宏观描述环件径-轴向辗扩成形过程,另一方面微观揭示和预报晶粒结构的拓扑和分布演变规律的目的。定义跨尺度模型的宏微观边界条件,对ABAQUS有限元软件进行二次开发,将热辗扩过程中环形铸坯跟踪点的工艺参数和材料参数自动导入MATLAB软件平台下的微观组织演变元胞自动机模型。采用该模型模拟了不同变形量下铸态42Cr Mo钢微观组织演变过程,并通过工业试验验证所建立的宏微观跨尺度CA模型预报能力的准确性。对辗扩试验得到的轴承套圈的组织性能进行分析测试,并依据测试结果和模拟结果优化工艺参数。