钢铁材料由于其良好的性能和低廉的成本而成为现代生活中最主要的工程结构材料。奥氏体—铁素体相变是钢铁材料制备、加工和热处理过程中发生的一种很普遍的物理冶金现象。奥氏体—铁素体相变的热力学与动力学决定了钢铁材料制备加工过程中的组织演化，从而决定了相变后的材料组织状态。而材料的组织状态又决定了材料的各种性能。一般说来，奥氏体—铁素体相变后的铁素体晶粒越细，材料的强度就越高。因此，研究奥氏体—铁素体相变的热力学和动力学，建立材料制备加工工艺与其组织状态的定量关系，对于设计材料成分和控制制备加工工艺以获得所要求的材料性能具有十分重要的意义。然而，现有的奥氏体—铁素体相变组织模型或者不能定量模拟相变动力学过程，或者不能克服剖分网格的各向异性。 为了克服上述现有相变组织模型的不足，本文建立了钢铁材料中奥氏体—铁素体相变的二维元胞自动机介观模型。在所建立的元胞自动机相变模型中，铁素体晶粒长大取决于奥氏体相中碳原子的长程扩散和奥氏体—铁素体晶体点阵结构转变，即奥氏体—铁素体相界面本身的可动性这两个因素，且这两个因素之间存在相互竞争。因此，在本文的元胞自动机相变模型中，奥氏体—铁素体界面处于非平衡状态。而现有元胞自动机相变模型都假设奥氏体—铁素体相界面处于局部平衡状态。应用所建立的等温相变模型，模拟了两种低碳钢在不同的等温温度下的奥氏体—铁素体相变。等温相变模拟结果显示：对于某一给定温度，铁素体的平均长大速度在相变过程中逐渐降低，当相变结束时，铁素体相的平均长大速度降为0；随着等温温度的降低，模拟的铁素体相平均长大速度加快，平衡铁素体体积分数增加；等温相变过程中产生的单个铁素体晶粒表现出6种长大模式：抛物线型长大、延迟形核长大、暂时收缩长大、部分收缩长大、完全收缩长大和相变后期加速长大。应用所建立的连续冷却相变模型，模拟了一种低碳钢在不同冷却速度下的奥氏体—铁素体相变。连续相变模拟结果显示：随着冷却速度的增大，相变过程中铁素体晶粒的长大速度加快，相变结束时铁素体体积分数减少，相变结束后铁素体晶粒得到显著细化。 为了研究奥氏体塑性形变对奥氏体—铁素体相变的影响，本文还建立了形变奥氏体—铁素体相变的二维晶体塑性有限元—元胞自动机耦合模型。模拟了一种C-Mn钢在750℃再结晶温度以下热压缩及随后连续冷却过程中的奥氏体—铁素体相变。通过模拟，获得了铁素体在形变奥氏体晶粒内部形核的判据，即奥氏体晶粒内部大于等于最大储存能75％的区域铁素体形核。模拟结果发现：新产生的铁素体相不仅在奥氏体晶界上形核，而且在奥氏体晶粒内部的高储存能位置形核。形变奥氏体中，铁素体在奥氏体晶内形核机制是导致相变后铁素体晶粒细化的主要原因。 奥氏体相中碳原子长程扩散模拟表明：在相变初期，铁素体晶粒不断长大。从铁素体相析出的过饱和碳原子不断向相界面处奥氏体相一侧转移，转移的碳原子扩散流使相界面处奥氏体相的碳原子浓度升高，而此时奥氏体相中远离相界面处的碳原子浓度基本还没有变化。这样，在相界面处奥氏体相一侧就建立起了碳原子的浓度梯度。在这个碳浓度梯度的驱动作用下，奥氏体相中相界面处的碳原子向奥氏体相内扩散，使得远离相界面的奥氏体相内部的碳原子浓度在相变过程中不断升高。随着相变的进行，铁素体晶粒周围的碳原子浓度场开始相互重叠，即软接触(softimpingement)。软接触发生后，碳原子浓度梯度会逐渐减小，奥氏体相内碳原子的长程扩散过程也会随之减慢。相变后期，随着铁素体晶粒的进一步长大，铁素体晶粒间甚至会发生直接接触，即硬接触(hardimpingement)。硬接触发生后，奥氏体—铁素体相变结束。 奥氏体—铁素体相变模拟结果表明：奥氏体晶界上的碳原子扩散和奥氏体—铁素体相界面移动都较奥氏体晶内更快，且奥氏体晶界上较快的碳扩散和相界面迁移使相变过程中铁素体晶粒形貌呈椭圆形状，而不是通常认为的等轴多边形，但对相变平均速度没有大的影响；本文建立的元胞自动机模型不仅能够定量模拟奥氏体—铁素体相变动力学，而且，在所建立的元胞自动机模型中，奥氏体—铁素体相界面是稳定的，模拟结果消除了元胞网格各向异性的影响，当元胞单元尺寸小于等于1.0μm时，元胞自动机模型不会表现出网格尺寸效应。