大型锻件在国计民生的各个领域都发挥着重要作用。随着材料科学和锻造技术的发展,我国大锻件生产水平和极限制造能力都实现了飞跃。氢致损伤作为困扰大锻件服役安全已久的难题,并未随着锻造技术的发展而消失,反而随着材料强度级别的提升愈发严重。为了保障大型锻件的服役安全,为这些国之重器保驾护航,阐明大锻件的氢脆机理,寻找大型锻件氢脆的预控方法迫在眉睫。大锻件不仅同时受到内源氢脆和环境氢脆的困扰,还由于其巨大的尺寸特性给其氢脆研究带来了巨大的挑战。本研究针对大锻件氢脆问题的尺度跨度、时间跨度,在现代计算材料学和电子显微学方法的基础上,提出了综合有限元、晶体塑性理论、分子动力学、第一性原理和实验材料学的宏微观跨尺度研究方法。并搭建了高通量电解充氢实验平台,用以大锻件氢脆机理的研究。针对大锻件的热态成形过程中的内源氢,对大锻件热塑性成形过程与氢的交互作用展开研究。利用预充氢试样,在热物理模拟实验机下开展了热塑性变形物理模拟实验。通过微区硬度变化发现了“环形氢影响区”和“芯部氢影响区”这一新现象。利用了跨尺度计算模型与表征技术的巧妙结合,从多尺度三维空间及时间四个维度还原了氢在热态成型过程中的行为,进而深入揭示了氢影响区的产生机理。即氢会通过与缺陷形成低能量的稳定结构从而降低动态回复的驱动力,产生抑制动态回复的效果。此外,氢在高温大变形条件下通过与碳化物界面形成碳氢化物会导致界面开裂,引发高温氢蚀。对于大锻件的氢脆机理,首先对氢与位错滑移变形机制的交互作用开展研究。采用退火态纯铁为研究对象,利用原位背散射电子衍射拉伸实验及晶体塑性有限元模型对其充氢前后在单轴应力作用下的微观结构演化规律进行分析。发现氢会对位错滑移方向产生影响。为了分析其原子层面的机制,通过建立应力沿不同晶粒取向、不同应变速率的正交分子动力学模型,阐明了氢运动规律及微观结构演变机制。此后,对复相结构与氢脆敏感性的关系开展研究。利用体视学统计了第二相分布规律,根据统计结果建立了多相有限元模型。通过第一性原理预测了氢掺杂前后各相的力学性质变化。将结果赋予有限元模型,用于预测其氢脆敏感性。此后,设计了实验来验证模拟的结果。采用一组Cr含量不同的钢进行氢脆敏感性测试。给出了用以建立特定元素含量与氢脆敏感性关系的科学方法。最后,为了预测大锻件氢脆敏感性沿径向的梯度变化。设计了物理模拟实验,首先通过模拟获得了大锻件热处理过程中温度场和组织场的变化,以模型中温度场为依据,通过热处理获得与大锻件芯部组织相似的试样,提供了大锻件氢脆敏感性的表征方法。本研究不仅阐明了氢与大锻件热态成型过程的交互作用关系,又深入分析了氢致损伤科学机制,为大锻件氢脆的预控提供了理论基础。