棒材是一种应用十分广泛的钢材,在工程建设、基础设施建设及汽车工业等领域发挥着极其重要的作用,在国民经济的发展和社会建设中扮演着不可替代的角色。然而在棒材高强度化推进的过程中,棒材自身的韧性以及延展性不足成为阻碍其高强度化发展的敏感性问题。通过大应变、高Z值加工条件下变形基体内部发生的动态回复/再结晶转化机制实现大棒材晶粒的超微细化可以在不添加合金元素的前提下使钢铁材料在强度加倍后仍然保持优异的强韧性配合,是一种理想的晶粒细化方式。本文通过实验与数值仿真模拟相结合的方式,综合考虑棒材产品尺寸与使用性能,对中碳钢大棒材的微观组织细化理论进行了深入研究,并在此基础上开发出一套适用于具有超微细化晶粒组织的高强度大棒材生产的新型连轧孔型系统——扁凸椭圆/圆形孔型系统。为获得中碳钢在低温领域轧制制备超微细晶组织的工艺参数,借助Gleeble-3800热模拟实验机及SEM场发射扫描电镜对中碳钢在大应变低温领域的变形特性及组织演化过程进行了实验研究,证实了高Z值(低温高应变速率)加工条件下的大变形工艺可以满足中碳钢超微细晶粒组织产生的条件。根据实验数据结果,通过对应力—应变曲线中峰值应力、峰值应变与Z之间的相互关系的研究,推导计算出中碳钢塑性变形的本构方程;利用有限元的二次开发,模拟并获得了各变形条件下得到的最终铁素体晶粒平均尺寸,并利用其计算获得铁素体晶粒平均尺寸的计算公式。借助计算机辅助设计与有限元仿真模拟技术,开发扁凸椭圆/圆形孔型系统,并对中碳钢连轧过程进行了应变、变形温度、应变速率等多条件耦合有限元模型的建立与模拟,对轧件截面在连轧过程中的应变分布、温度分布以及组织演化过程进行了研究与分析,获得良好效果。实验及数值仿真模拟结果相互吻合,验证了该新型工艺适用于具有超微细化晶粒组织的高强度大型棒材的生产。