与普通的棒材相比，超微细晶粒棒材具有高强度、高硬度及良好的韧性等特点，优良的性能使其具有显著经济效益和社会效益，从而引起各国的广泛关注。与钢铁材料组织微细化有关的因素有很多个，等效应变和温度是最重要的因素，利用相变制造1μm以下超微细组织的α相温加工，当塑性应变达到一定程度后，晶界周围会出现大角度的超微细等轴晶粒。但是在棒材轧制方面，如何获得孔型参数来增大应变却遇到了障碍，因此本文提出基于尺寸和性能双向综合控制的新型孔型设计理念，在铁素体区低温轧制使工件整个截面引进一种新型多方向、大塑性变形，使棒材产品不需要添加合金元素就可以有效地产生超微细晶粒组织。针对孔型棒材低温铁素体区轧制的工艺参数范围，采用热模拟实验机确定典型低碳钢（如Q345）的塑性流变曲线及其热物性参数，研究大塑性应变与超细晶尺寸分布的关系，研究Zener-Hollomon因子与形变后金属内部组织晶粒尺寸和性能的关系。利用实验得到的塑性流变曲线，以三维有限元为工具，建立棒材低温轧制的三维非线性有限元模型，通过有限元模拟的结果，研究孔型参数对变形区金属流动规律的影响，分析宽展规律和金属填充孔型的盈亏情况；研究孔型尺寸对轧制形变渗透到心部的影响规律，建立孔型参数与大塑性应变心部渗透的关系。通过有限元软件ABAQUS提供的VUSDFLD子程序，将晶粒尺寸与变形参数的关系嵌入到有限元模型中，最终得到轧制后的铁素体晶粒尺寸分布云图，同时在综合考虑形状尺寸和性能质量因素条件下采用可视化编程语言VB开发孔型系列设计系统。通过对棒材铁素体区多向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、应变场等地分布情况。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。