20 世纪70 年代，Sellars C M 等研究了C-Mn钢板轧制过程中的组织演变，首次提出了计算组织演变的数学模型。20 世纪80 年代，日本科学家Yada H 等对C-Mn 钢的再结晶过程进行了深入研究，并在前人生产经验的基础上建立了C-Mn 钢组织演变的数学模型。此后，许多学者对低碳C-Mn 钢进行了大量的试验研究，建立了Esaka 模型、Satio模型、Ｒoberts 模型、Kwon 模型、Hogson 模型等。20世纪90 年代，Karhausen K 等首次将微观组织模型引入到非稳态锻造过程中，并用有限元方法对锻件的晶粒结构进行了预测。李梦飞等基于热压缩试验获得了38MnVS6 非调质钢组织演变的数学模型，采用非线性有限元软件对其进行了数值模拟，利用Marc 软件建立了38MnVS6 非调质钢Φ90mm棒材往复热轧过程的三维热-力-微观耦合有限元模型。李馨家、崔振山等通过软件二次开发，将SA508-3 钢的流动应力模型、热成形裂纹模型和组织演化模型与Deform-3D 集成，建立了多尺度热锻模拟系统，结果表明，温度和应变是影响晶粒尺寸的主要因素。李雪等采用4 火次传统自由锻方法成功锻造出非同轴且重约4500 kg 的连杆锻件。其中，4 火次加热温度分别为1210，1240，1200 和1200 ℃。为了消除内部组织应力、细化心部粗大组织、改善锻件内部组织均匀性以及防止产生白点、氢脆等缺陷，锻后热处理采用两次正火以及一次回火扩氢工艺。张晓芳等采用宽砧径向压实法，以大于30% 压下率锻制了满足设计要求的大型连杆锻件，并且提高了材料利用率，其两火次始锻温度均为1240 ℃。 50 机船用柴油机连杆的质量大、形状复杂，而整体胎膜锻造的成形力需求过大，所得制品性能难以保证，因此，采用锤上自由锻成形工艺。通过锻造工艺仿真分析的方法，以数值模拟来代替实物试验，解决锻造过程中遇到的问题，降低报废率，使锻件心部晶粒度达到8 级以上的设计要求，从而提高连杆疲劳寿命。本文的研究重点在于实现锻件心部晶粒度由4 级细化到8 级以上的目标。对工艺的其他方面未做研究。
为了在锻造过程中实现微观组织演化计算，需要通过材料基础试验得到晶粒尺寸演化的数学模型参数。基于某学校试验平台，运用电子显微镜、扫描电镜、热模拟机等设备，对连杆材料S30Mn 钢在不同保温时间条件下的材料的晶粒度变化、热成形性能、热膨胀、连续冷却行为等进行测试分析，得到材料的高温应力随应变、应变率变化的曲线方程以及静、动态再结晶数学模型参数。所用材料为S30Mn 钢，其化学成分见表1。
坯料的初始晶粒度为4 级。根据晶粒度细化要求，建立连杆锤锻数值仿真模型。图1为连杆锻造工艺仿真流程图，进行了多个工艺方案的数值模拟研究。以其中某个方案为例，图2为该方案的原始锻件坯料图，采用平砧锻造，两火成形。第1火始锻温度为1200 ℃，A 区锻造比约为1. 2，B、C、D区锻造比约为1.29; 第2 火始锻温度为1000 ℃，A区锻造比约为1. 26，B、C、D 区锻造比约为1. 54;锻后冷却至室温。锻件室温心部晶粒度约为5. 8 级( 图3) 。可见，大型锻件心部晶粒度实现由4 级细化到8 级的目标有相当的难度。 采用图4 所示的改进后的锻件坯料模型，使用两火平砧锻造成形，选择适当的锻造温度，每一火均留适当的变形量，从而实现了心部晶粒细化到8级以上的目标。上模沿图4 中的Y 方向锻压。第1 火始锻温度为1100 ℃，A 区锻造比约为1.29，B、C、D区锻造比约为1.38; 第2 火始锻温度为950 ℃，这与类似于文献的两火始锻温度均在1200 ℃以上有着本质的区别，A 区锻造比约为1.35，B、C、D 区锻造比约为1.32。锻后冷却至室温，锻件室温心部晶粒度约为8 级。最后再进行回火、正火等热处理，用以消除内部组织应力，改善锻件内部组织均匀性以及防止产生白点、氢脆等缺陷。 图5 为优化工艺后得到的连杆锻件心部晶粒度分布图。图6 为实测的连杆锻件金相图，按GB/T6394—2017评定铁素体晶粒度级别，结果为8.5级。
通过锻造工艺仿真分析及优化的方法，以数值模拟来代替实物试验，建立了50 机船用柴油机连杆锻造过程的仿真模型。采用法国锻造模拟软件Forge对连杆锻造工艺进行数值模拟研究。采用平砧锻造，两火成形。通过对锻造比及始锻温度的调整，进行工艺优化研究。改进后的工艺为: 第1 火始锻温度为1100 ℃，A 区锻造比约为1.29，B、C、D 区锻造比约为1.38; 第2 火始锻温度为950 ℃，这与常规的两火始锻温度均在1200 ℃ 以上有着本质的区别，A 区锻造比约为1.35，B、C、D 区锻造比约为1. 32。锻后冷却至室温，锻件室温心部晶粒度约为8 级。通过对锻造比与锻前加热温度的调整，实现了锻件心部晶粒度细化到8 级以上的关键目标，有效地解决了大型船用连杆的制造难题，所提出的工艺方法可以推广到有类似晶粒度细化要求的锻件制造。
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