锻件广泛应用于汽车、电力、舰船和航空等工业领域,我国是锻件生产第一大国,面对成本、环保和市场压力,亟需完成产业升级。由于温度场和应力场的耦合作用,温锻件和热锻件的制造更为复杂。为了提高锻件的生产效率和质量,研究材料塑性变形的宏观力学行为和微观冶金现象对制定工艺参数非常重要,也是国内外学者的研究热点。本文的研究对象是20CrMnTi低合金钢,是最具代表性的温锻和热锻材料之一,用于生产齿轮、轴和法兰等零件。作者围绕20CrMnTi的温成形和热成形工艺,通过实验研究和理论分析相结合,系统研究了材料的流变行为和微观组织演化规律,为控制其成形后的组织和性能提供理论参考。通过等温压缩实验,研究了20CrMnTi低合金钢在温成形（873-1173 K）下的流变行为。压缩应力-应变曲线表明,在四个研究的应变速率下(0.001-1 s-1),温度1023K的应力均小于温度1073 K的应力,这种应力反常现象发生在铁素体-奥氏体两相混合温度区间;金相实验表明,较低温条件下（873、923和973 K）的变形主要是铁素体相,而高温条件下（1123和1173 K）则为奥氏体相变形。通过位错模型将应变耦合至Arrhenius方程中分别建立各单相的本构关系,并通过微观组织分析进行验证。在单相本构模型的基础上,本文提出了包含协调因子（W）的等应变混合法则描述两相变形时的反常的应力-应变曲线,该法则考虑了铁素体在临界温度区更大的应变速率敏感性。最终,建立一个能够准确描述20CrMnTi低合金钢温变形流变行为的本构模型。同时,为了研究了20CrMnTi低合金钢在热变形下的流变行为,进行了1173-1373K温度范围内的等温压缩实验。通过解析应力-应变实验曲线,获得四个特征应力（屈服应力、峰值应力、饱和应力和稳态应力）和二个特征应变（临界应变和软化率最大应变）,并建立这些特征量与初始晶粒尺寸和Z参数的关系。建立于描述加工硬化和动态回复的位错本构关系模型,然后引入并修正了一个新的动力学模型来量化动态再结晶对加工硬化-动态回复模型的软化作用,与传统的Avrami动力学模型相比,该模型能更准确反映动态再结晶的速度。经验证,本文提出的本构模型能够准确预测热变形过程中的流动应力。高温奥氏体对其冷却相变后产物的组织结构和性能影响至关重要,但对20CrMnTi这类低合金钢,在常温下保留和表征奥氏体组织十分困难。本文基于马氏体的EBSD数据,提出了一种重构母相奥氏体组织的方法并编写了自动重构程序。首先,根据经典的K-S关系,通过优化求解空间来更准确更迅速的求解马氏体和奥氏体间的相变关系。其次,采用本文新提出的重构准则能够更精确地确定原奥氏体晶界周围的局部取向。相较于已有研究,本文的重构方法能够更准确获得奥氏体的晶粒内的取向梯度、晶界以及孪晶,从而有利于分析材料的微观组织演化。最后,运用所开发的重构程序,分析了变形温度和应变速率对20CrMnTi高温奥氏体组织演化的影响。为了更直接和深入研究高温奥氏体的组织演化,本文引入了一种与20CrMnTi高温奥氏体堆垛能相近的奥氏体不锈钢作为模型材料,并通过EBSD和TEM分析技术,从界面和位错的角度分析应变速率及孪生机制对动态再结晶机制的影响。奥氏体在高温和低应变速率下,主要发生非连续动态再结晶,孪晶界有助于将晶界弓出从初始晶粒分离完成再结晶形核,此后,孪晶界主要通过晶粒长大过程中的‘Growth accident’机制产生;在高应变速率下的再结晶机制为连续动态再结晶,而孪生通过改变再结晶晶粒与初始晶粒间的取向关系,促进再结晶区域的扩展。高应变速率和低应变速率下晶粒尺寸指数分别为-0.68和-2.9,进一步说明,以应变速率0.1 s-1为分界点,不同的动态再结晶机制导致了不同的晶粒演化过程。将本文建立的20CrMnTi低合金钢的本构模型、动态再结晶模型和晶粒尺寸演化模型二次开发写入Deform-3D软件中,以齿轮浮动凹模对挤成形工艺为例进行有限元模拟,同时进行工艺实验。模拟和实验中材料在齿形凹模中的填充过程保持一致;通过与实验结果进行比较,上述模型的成形载荷预测误差在11%内,成形后晶粒尺寸的预测误差在10%内;而传统模型（基于Avrami动力学模型）的预测误差分别在20%和25%以内;这表明本文中的模型能够更准确地预测流动应力和微观组织。