与普通的棒材相比，依据“组织细化理论”制备的超微细晶粒棒材具有良好的强韧性配合，一直是各国学者的研究焦点，是未来广泛应用的工程材料。影响组织超微细化的因素很多，温度和应变是其制备的关键，在高Z值条件下，当塑性应变达到一定程度后，利用α-Fe持续不断的动态回复从而发生连续动态再结晶的温加工过程，能够有效制备1μm以下且具有大角度晶界的超微细晶组织。然而，在棒材轧制方面，如何获得孔型参数来增大塑性应变却遇到了障碍。因此，本文结合热模拟压缩试验与有限元数值模拟技术，考虑棒材轧制尺寸与性能因素进行创新孔型设计，建立新型孔型系统，使整个工件截面引进一种新型多方向、大塑性变形，研究亚微米级超微细晶棒材工业生产的工艺过程。针对中碳钢超微细晶棒材低温轧制的工艺参数范围，运用Gleeble3500热模拟压缩试验机以及SEM电子扫描显微镜，进行平面应变压缩试验与微观组织观察，对中碳钢的温变形特性进行计算分析。研究高Z值、大塑性变形条件下晶粒细化基本规律；研究加工参数Z因子、铁素体晶粒尺寸与材料组织性能之间的关系，并建立微观组织演化数学模型。利用实验数据及其建立的数学模型，以非线性有限元为工具，对比传统孔型的分析与讨论，研究M形新型槽对金属流动规律、心部大塑性应变累积以及孔型尺寸的影响，开发中凸椭圆孔型，建立新型孔型系统，进行断面收缩率分析；调用ABAQUS提供的VUSDFLD子程序，将晶粒尺寸与变形参数关系嵌入到有限元模型中，对棒材轧制工艺，如温度场、应变场、速度场等进行研究，最终实现晶粒尺寸的控制。通过对中碳钢超微细晶棒材轧制过程的数值仿真模拟，可以准确地掌握棒材轧制过程中的温度场、应力场、应变场等分布情况。通过物理模拟实验可以有效地验证超微细晶粒的产生条件，为有限元模拟提供了实验依据。为今后新工艺验证和超微细晶粒棒材轧制提供了指导。