大型锻件机加工和热处理后作为大型成套设备的核心零部件,广泛应用于冶金、电力、造船、石化、核能、航空航天和国防军工等领域。该类零件通常工况恶劣、负载大、安全可靠性要求高,因此质量要求极为严格。然而,钢铁冶金过程决定了大型锻件的坯料——铸锭,内部不可避免地存在各类缺陷,如空洞、偏析和夹杂等。对于高碳高合金钢铸锭,由于碳及合金元素含量较高,碳化物偏析缺陷尤为显著。偏析的存在破坏了金属内部组织的连续性,容易形成应力集中或裂纹损伤,导致锻件寿命缩短或服役期内失效。因此,深入认识碳化物偏析演化规律,探索打碎碳化物的热变形条件,将有助于提高大型锻件的内在质量,促进锻造工艺的制定由经验走向科学,对我国的大型铸锻件产业发展有着重要的意义。　　 本文对钢锭中碳化物偏析缺陷在热加工过程中的演化机理进行了系统的探讨,主要研究成果如下:　　 一、分析了测定材料本构关系的单道次热压缩实验中的误差来源,提出了一种减小实验系统误差、优化流动应力曲线的迭代方法,为大型锻件成形工艺模拟奠定了基础。　　 在测定材料本构关系的热压缩实验过程中,由于系统误差的存在,试样不可避免的出现鼓形,所以试样内部的应变和应力分布都是不均匀的,由此测得的流动应力曲线精度有限。基于端面摩擦的修正虽然可以显著改善实验结果,但实际情况下误差来源广泛,仅考虑单因素影响,无法全面的提高数据精度。基于此分析,本文综合考虑了端面摩擦和温度梯度两种因素的影响,提出了一种改进的迭代修正方法,该方法使用平均等效应变的概念,利用有限元法模拟材料压缩过程得到的载荷一行程数据对实测数据进行修正。以AISI M2高速工具钢为例的应用表明:所提出的修正方法可以同时有效地消除诸如摩擦和温度梯度等系统误差的影响,获得高精度的材料流变应力本构关系数据。　　 二、研究了碳化物形貌和分布对材料的高温力学性能和再结晶行为的影响,总结了热变形及微观组织参数的变化规律,并分析了碳化物形貌对高温变形和微观组织影响的机制。　　 选取了铸态,退火态和锻态三种不同碳化物偏析程度的AISI M2高速工具钢进行热压缩试验和金相分析,求解了三类材料的热成形参数,比较了其碳化物组成、分布和尺寸。研究结果表明;随着变形温度上升或应变速率下降,峰值应力和应变均为减小趋势。在低温阶段,锻态材料的流变应力始终最大,退火态的最小;中高温阶段,变形量较小时,铸态材料流变应力最大,当变形量超过一定范围,锻态流变应力较大,退火态的依然最小。钢锭在开坯及成形过程中,经历了铸态→退火态→锻态等微观组织变迁,分别对应不同的碳化物形貌。由于铸态和锻态材料中碳化物分布较退火态均匀,较多的晶内碳化物颗粒起到钉扎位错作用,造成其基体热强度较大;较多的晶界碳化物阻碍晶界迁移,从而延迟了再结晶的发生。此外,推导了考虑碳化物差异的材料高温流动应力本构模型和微观组织演化模型,并用于钢锭开坯工艺的数值模拟研究。　　 三、研究了热锻过程中碳化物网的破裂机制,推导了碳化物网断裂应变模型,通过热变形解理机制系统地解释了碳化物粒化行为。　　 基于物理试验和数值模拟,将微观组织与高温力学参量进行映射对比,确定了网状碳化物破裂率与热变形参数的定量关系,建立了碳化物网断裂应变模型,阐明了碳化物网的高温力学破坏机制。研究结果表明:当应变量较小时,碳化物网络始终存在;当应变量超过断裂应变量后,莱氏体网被完全打碎;当应变量继续增加时,碎化产物会保持一个稳定形状和尺寸与基体协调变形。较高的温度或较低的应变速率导致断裂应变的降低。　　 四、研究了高温保温过程中钢锭内部共晶碳化物偏析的分解、球化与长大行为,提出了碳化物演化速率模型,并比较了与热压缩过程中演化机理的差异。　　 以铸态AISI M2高速工具钢为例,通过热处理试验和金相分析发现,钢中亚稳态M2C碳化物受热后快速分解为MC和M6C碳化物,其形态由退火前的棒状或纤维状转变为退火后的球团状或块状。基于上述实验与理论分析,建立了碳化物演化速率理论模型,涵盖了棒状碳化物球化、球化产物长大和二次碳化物溶解与析出过程。演化模型为探索钢锭高温滞留过程中内部偏析型缺陷的演化规律提供了定量的研究方法。不同处理方式的对比研究表明:高温保温过程中,碳化物网的断裂是基于碳化物的化学反应及随后合金元素的扩散与固态相变机制;而塑性变形过程中,碳化物网的断裂是主要与高温机械破坏作用有关,而合金元素的扩散的作用微弱。