决定金属宏观力学性能的主要因素是微观组织,在金属的热锻成形过程中,微观组织会发生动态回复、动态再结晶、静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶等一系列变化,形成新的晶粒。在给定材料成分的条件下,变形温度、应变速率和应变量是影响晶粒演化的主要宏观因素。因此,如何通过控制热锻成形过程中的温度、变形速度和变形量,来达到控制金属的微观组织以及产品的力学性能的目的,是近年来热锻成形研究中的热点问题。本文以汽轮机叶片锻造用马氏体不锈钢X20Cr13为主要研究对象,基于热压缩实验数据,建立微观组织演变的数学模型,以商用有限元软件为平台,开发适合热锻过程的有限元变形-传热-微观组织演化耦合分析系统,实现复杂零件热锻过程多物理场数值仿真,以期为制定复杂锻件的锻造工艺提供依据。本文的主要研究工作如下:在Gleeble-1500D热模拟实验机上,对X20Cr13马氏体不锈钢进行了单道次等温热压缩实验,获得了其高温流变应力曲线。研究了不同变形温度和应变速率条件下的材料流变规律,基于Arrhenius方程,考虑应变补偿,建立了材料流变应力模型,计算值与实验值的绝对误差平均值为3.30%,表明该模型可以比较准确地描述流变应力与变形条件的关系。计算得到X20Cr13马氏体不锈钢的动态再结晶激活能为359.402 k J/mol。基于动态材料模型理论,采用Prasad失稳准则,分析了应变速率敏感系数随变形温度、应变速率及应变的变化规律,建立了X20Cr13马氏体不锈钢的加工图。通过对功率耗散率和非稳参数的分析,确定了X20Cr13马氏体不锈钢实验条件下的最佳工艺参数范围,为该材料实际工艺的制定提供了指导。基于等温热压缩实验获得的高温流变应力曲线,通过回归分析得到了流变应力曲线峰值应变、峰值应力、稳态应变、稳态应力的表达式;通过对应力/峰值应力-应变/峰值应变的分析,提出了马氏体不锈钢动态再结晶发生的临界应变的数学表达式。采用该模型确定的X20Cr13马氏体不锈钢临界应变值与通过加工硬化率-应力曲线方法获得的值相近,证明了该模型的有效性。基于金相实验分析,建立了动态再结晶动力学模型和晶粒尺寸模型。以位错密度和晶粒尺寸为内变量,并考虑动态再结晶对于位错密度的影响,建立了X20Cr13钢基于内部变量的高温流变应力模型。该模型将回复参数分解为与变形温度有关的分量和与应变速率有关的分量,采用不同变形条件下临界应变之前的实验数据来确定硬化参数和回复参数。将由于动态再结晶导致的位错密度变化表示为平均晶粒尺寸的函数,将比例系数分解为与变形温度有关的分量和与应变速率有关的分量,采用不同变形条件下临界应变之后的实验数据进行拟合并采用三阶多项式来表达。该模型考虑了微观组织变化对宏观应力的影响,预测精度较高,为后续多物理场数值仿真提供了理论基础。采用双道次热压缩实验,分析了X20Cr13钢亚动态再结晶和静态再结晶行为。金相分析表明:静态再结晶晶粒尺寸主要受初始奥氏体晶粒尺寸和应变量的影响,而亚动态再结晶晶粒尺寸主要受变形温度和应变速率的影响。计算得到了X20Cr13马氏体不锈钢的静态再结晶激活能为258.942 k J/mol,亚动态再结晶激活能为271.645 k J/mol,并建立了静态软化过程再结晶动力学模型和晶粒尺寸模型,为热锻过程多物理场数值仿真提供了基础。建立了X20Cr13马氏体不锈钢锻造过程的多物理场耦合分析系统,进行了非稳态热压缩试验,验证了动态再结晶体积分数和平均晶粒尺寸数值仿真结果与试验结果的一致性。分析表明本文建立的流变应力模型和微观组织演化模型预测精度较高,并采用该系统首次对X20Cr13马氏体不锈钢汽轮机叶片的锻造过程进行了三维数值仿真,分析了工件初始温度和变形速度对于成形载荷和锻件最终温度的影响,追踪了热锻过程中应变、温度、动态再结晶体积分数和晶粒尺寸的变化规律。数值仿真结果表明,亚动态再结晶的发生会导致晶粒得到进一步细化,经过20s的间隔期后,马氏体不锈钢汽轮机叶片叶身部分的平均晶粒尺寸位于18.7-25.8?m之间。研究结果表明本文建立的模拟系统可以为复杂锻件的热锻工艺提供指导。