在锻造过程中,常常伴随着传热、微观组织演变等现象,这些现象的交互作用构成了控制锻造过程的基础,决定着锻件的使用性能。为了保证锻件的组织和性能都满足设计要求,实现形状尺寸与微观组织/性能的一体化精确控制。因此,应在深入研究高温塑性变形行为的基础上,阐明锻造变形机理并揭示微观组织演变与宏观力学行为的交互作用规律;建立精准、普适的微观组织模型和塑性本构方程,实现微观组织与塑性变形的物理耦合;结合数值模拟技术,预测锻件的成形、微观组织和性能;发展难变形材料的热加工图理论,实现锻造过程的最优设计与控制。　　本文以Ti-6Al-4V合金的热模拟压缩和微观组织定量试验为基础,研究了变形温度、应变速率和应变对Ti-6Al-4V合金高温变形力学行为和微观组织演变的影响。结果表明:变形工艺参数对Ti-6Al-4V合金流动应力和微观组织演变影响显著。表观变形激活能、应变速率敏感性指数和应变硬化指数对工艺参数敏感,主要归因于加工硬化、动态软化和微观组织演变三种机制的共同作用。　　运用内变量理论与方法建立了钛合金加热、冷却和锻造各阶段的微观组织模型,并以位错密度、晶粒尺寸和体积分数等微观组织参数为内变量建立了钛合金锻造阶段塑性本构方程。将这些模型应用于Ti-6Al-4V合金,采用遗传算法优化技术优化了模型中的材料参数。计算值与试验值的对比结果表明:模型的预测精度较高,较好地描述了Ti-6Al-4V合金的高温变形行为。　　基于锻造阶段的微观组织模型,建立了耦合微观组织参数的粘弹塑性本构方程;结合动态材料模型和不可逆热力学极值理论,建立了同时反映应变、位错密度和晶粒尺寸影响的能量耗散率方程和不稳定准则;将该方程和准则应用于Ti-6Al-4V合金,构建了Ti-6Al-4V合金的热加工图。与传统热加工图的比较结果表明:本文建立的反映应变、位错密度和晶粒尺寸影响的热加工图理论提高了工艺参数优化和微观组织控制的准确度。　　结合本文建立的锻造阶段塑性本构方程与传热分析,研制了塑性变形-传热-微观组织演变的有限元耦合模拟系统。在此基础上,系统研究了Ti-6Al-4V合金单榫头叶片锻造阶段的三维耦合数值模拟,获得了叶片顶锻、预锻和终锻各阶段工艺参数对应变场、应力场、温度场和晶粒尺寸的影响规律。同时,研究了Ti-6Al-4V合金单榫头叶片加热和冷却各阶段的三维耦合数值模拟,获得了加热和冷却各阶段温度场和晶粒尺寸的变化规律。　　完成了Ti-6Al-4V合金单榫头叶片热模锻造试验。室温和400℃拉伸试验结果证实:Ti-6Al-4V合金单榫头叶片性能满足设计要求。Ti-6Al-4V合金单榫头叶片的定量金相测试结果表明:试验结果与数值模拟结果的最大相对误差为11.71％,最小相对误差为4.23%,表明本文建立的微观组织模型、塑性本构方程的准确性和可靠性高。