由于凝固过程中体积收缩的存在,在大尺寸铸坯生产过程中,不可避免的在铸坯的芯部产生疏松和缩孔。由于大尺寸钢件压缩比的限制,这些缺陷难以在后续的热轧过程中得到有效的消除。为了有效的消除这些缺陷,近年来,研究者们利用铸坯凝固余热产生的铸坯表面和芯部温差开发了预压下工艺（Reduction Pretreatment process,RP）。目前,已有一些针对预压下工艺改善铸坯质量的研究,并取得了良好的效果。但是,当前针对预压下工艺消除芯部空洞机理的研究,都是使用有限元模拟方法,从铸坯芯部塑性变形的角度来解释。从微观组织演变来分析预压下工艺改善铸坯凝固空洞机理的研究尚属空白。同时,预压下过程中的微观结构演变为动态再结晶,其对热变形过程中的宏观力学行为有很大的影响。但是现有的热变形多尺度模型并没有在模拟过程中考虑微观组织演变对宏观力学行为的影响。因此,本文基于有限元模型和多相场模型建立了耦合宏观力学行为和微观组织演变行为的多尺度模型,并使用这个模型对低合金钢预压下过程中的组织演变行为进行了系统研究,从组织演变角度揭示了预压下工艺改善铸坯质量的机理,并对预压下工艺参数的制定提出了建议,主要研究工作如下:基于多相场模型,使用Fortran语言开发了多相场程序包,为了验证多相场程序包的可用性,结合分子动力学计算得到的界面迁移率M=1.1713 × 10-7· exp（-21866/RT）,用此程序包模拟了理想晶粒生长行为。通过商业有限元软件Abaqus二次开发调用该程序包,将有限元模型和多相场模型耦合,开发了能够模拟宏观力学行为和微观组织演变交互作用的多尺度模型。基于热压缩实验,建立了42CrMo钢的动态再结晶多相场模型。使用这个模型,研究了预压下工艺窗口内,变形温度、应变速率和原始奥氏体晶粒尺寸对流变应力曲线和动态再结晶动力学的影响。研究表明,提高变形温度、降低应变速率和减小原始奥氏体晶粒尺寸能够促进动态再结晶行为,提高相同等效应变下动态再结晶的体积分数。减小原始奥氏体晶粒尺寸能够降低峰值应力,但是对稳态应力影响不大,同时原始奥氏体晶粒尺寸对最终的动态再结晶晶粒尺寸影响不大。结合动态再结晶多相场模型建立了低合金钢热变形多尺度模型,该模型使用动态再结晶多相场模型提供的屈服应力进行有限元计算,能够准确的描述热变形过程中动态再结晶导致的宏观力学行为的改变。使用该模型模拟了单轴热压缩过程,并通过与实验得到的流变应力曲线对比,验证了模型的有效性。使用该多尺度模型研究了预压下过程中的宏观力学行为和微观组织演变行为。模拟了温度梯度、压下量和变形温度对铸坯内部的微观组织演变行为的影响。研究的结果表明,相比等温变形,温度梯度变形的铸坯内部塑性变形更高,动态再结晶体积分数更大。提高压下量和变形温度能够提高铸坯内部的塑性应变和动态再结晶体积分数。在变形温度1223 K条件下,当压下量从10 mm提高到30 mm时,铸坯芯部动态再结晶体积分数从0.009提高到0.682,晶粒尺寸从121 μm减小到67μm。在压下量20 mm条件下,当变形温度从1123 K升高到1323 K时,铸坯芯部的塑性应变从0.173提升至0.183,动态再结晶体积分数从0.029提升至0.36。研究了预压下过程中动态再结晶行为对消除空洞的影响。研究表明,动态再结晶行为能够软化基体组织,促进空洞在几何形态上的压合。进一步基于空位扩散假设和相场模型分析了预压下过程对空洞扩散影响。预压下工艺使铸坯内组织发生细化并使未被压合的空洞发生变形,细化后的基体晶界密度升高,提高了空位在基体中的扩散速度,同时,变形后的空洞表面曲率差增大,这两方面作用促进微观尺度空洞形态趋于球形和体积缩小,促进了空洞的愈合。参考模拟结果制定了预压下工艺,并通过中试实验得到了高质量的铸坯,并研究了压下量和变形温度对预压下铸坯改善效果的影响,研究表明,与原始铸坯相比,当预压下铸坯压下量提高到16mm时,铸坯内部空洞型缺陷的数量从1746个下降到659个,平均尺寸从373 μm升高到413 μm。当变形温度从1173 K升高到1273 K时,铸坯内的缺陷数量从1302降低到463,平均尺寸从229μm升高到238 μm。相比无预压下原始铸坯生产的钢板,预压下铸坯生产的钢板内部空洞的平均尺寸从101 μm降低到了 87 μm,板厚四分之一位置和芯部位置的冲击功从13.1和10.9 J提高到了 26.7和22.3 J。表明预压下工艺能够提升钢板的质量。