大型锻件采用钢锭锻造成形。由于钢锭尺寸巨大,结晶过程缓慢,凝固组织异常粗大和不均匀。因此,对于大型锻件而言,粗大非均匀凝固晶粒组织的细匀化是热加工的主要任务和目标,也是大型锻件力学性能提高的重要途径。在大型锻件制造的工艺流程中,粗大非均匀凝固组织的细匀化是一个涉及全工艺流程的过程。首先需要了解钢锭凝固组织的形成、分布和形貌,进而通过锻造及后续的热处理实现晶粒组织的细化与均匀化。其中锻造工艺起着至关重要的作用。特别是传统模铸钢锭中显著的柱状晶组织和电渣重熔钢锭内部的柱状晶组织的细匀化尤其关键。而仅采用实验的方法又很难从不同尺寸进行研究。本文结合实验研究方法,在研究开发凝固柱状晶和热变形再结晶微观组织介观尺度元胞自动机（CA）模拟方法和技术的基础上,采用宏观、介观（微观）和纳米尺度的模拟技术,实现了凝固柱状晶组织形成和长大,以及凝固柱状晶组织热变形再结晶晶粒组织演变过程的模拟研究,对于大型钢锭柱状晶凝固组织及其热变形再结晶晶粒组织模拟和控制具有重要的理论意义和实用价值。论文的主要研究内容如下:首先,采用PROCAST软件的元胞自动机CA微观组织模拟模块,研究了空心钢锭底注式模铸和电渣重熔4.2 t Mn18Cr18N钢的凝固过程。模铸结果表明,随着内外壁换热系数的减小,柱状晶向等轴晶的转变CET提前,抑制了柱状晶的发展,柱状晶长度减小,一次枝晶间距减小。随着浇注温度的升高,CET延迟,柱状晶的比例增加。形核参数中体形核密度是影响CET以及晶粒尺寸的主要参数,面形核密度可以控制柱状晶的一次枝晶间距,并得出了整个壁厚全部为柱状晶组织或等轴晶组织的极限体形核密度值为1e+006/cm3和2e+009/cm3。电渣重熔结果表明,电渣重熔熔速（渣-金界面上涨速度）控制在0.1 mm?s-1以下,可以获得理想的熔池形状和凝固柱状晶组织;底部传热系数达到500 W?m2?K-1可提供足够的冷却能力,并获得最大尺寸的底部柱状晶区。并基于经典的CA法随机形核的规则,提出了垂直于散热方向的等过冷度面分级形核规则;基于经典的CA法周期性边界条件的长大规则,提出了垂直于散热方向的非周期性边界条件的长大规则。并在MATLAB软件平台下,实现了柱状晶组织形成与长大模拟程序的开发,并模拟研究了Mn18Cr18N空心钢锭电渣重熔宏观尺寸和介观尺度下柱状晶形成与生长。实验对比表明了所提出的电渣重熔凝固过程中柱状晶形核和长大CA法模拟规则的有效性和精确性。然后,采用分子动力学模拟方法,建立了不同加载方向下奥氏体面心立方FeCrNi钢纳米柱状晶组织模型,模拟分析了所建立柱状晶模型变形的力学行为、变形机理和规律,以及尺寸效应对纳米柱状晶变形的影响规律。结果表明,奥氏体面心立方纳米柱状晶组织试样的变形应力呈现各向异性的特性。加载方向与柱状晶生长方向的夹角?=0?时应力最大,依次为?=90?、30?、60?、45?,即加载方向与柱状晶生长方向的夹角?=45?时应力最小。原因是不同加载方向柱状晶内部位错密度不同引起的,且柱状晶半径越小,压缩试样模型内位错密度越高,层错和孪晶数越高,变形应力越高。采用热力模拟实验方法,研究了Mn18Cr18N锻态钢的热变形行为和动态再结晶演变机理与规律;建立了基于内变量物理参数的本构模型;通过建立热变形功率耗散图和再结晶组织的分析,揭示了低应变速率下晶界迁移驱动的再结晶形核机理和演变规律,以及高应变速率下孪晶促进的形核机理和演变规律。并在此基础上,首先提出了CA法模拟热变形再结晶的分阶形核规则,进行晶粒长大的模拟;对于晶界迁移驱动的再结晶,提出了基于位错密度的形核和演变规则;对于位错促进的再结晶,考虑了∑3孪晶形核率,引入加权变量,实现了Mn18Cr18N锻态钢热变形再结晶行为的模拟。不同变形温度、应变速率和应变条件下再结晶晶粒组织的模拟结果与实验的对比,验证了所开发该钢热变形再结晶CA法模拟的可靠性。采用热力模拟实验方法,研究了Mn18Cr18N ESR钢的热变形行为和动态再结晶演变规律;建立了其基于内变量物理参数的本构模型;通过建立热变形功率耗散图和再结晶组织的分析,进一步阐明了低应变速率下位错控制和高应变速率下孪晶控制的再结晶形核机理和演变规律。在此基础上,通过对比分析锻态钢热变形再结晶的组织,提出了一次柱状晶晶界和二次枝晶/变形带晶内形核的CA法模拟联合形核规则,以及位错控制再结晶的CA法模拟对称元胞联合形核规则,并首次成功模拟了柱状晶位错控制的动态再结晶的演变过程的模拟。最后,基于Mn18Cr18N ESR钢柱状晶凝固组织及其热变形再结晶组织特点,通过有限元网格和CA法网格的对应关系,建立了柱状晶凝固组织的宏-微观跨尺度模型,实现了柱状晶凝固组织的有限元宏观热力参数场—CA柱状晶凝固组织场—CA柱状晶凝固组织热变形再结晶晶粒组织的耦合模拟,并用点跟踪技术进行了的耦合模拟分析与预测。