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钢是以Fe为基体的多元合金体系,是应用最为广泛的重要工程材料。高效的连铸工艺是钢产品生产过程中重要的工艺技术,连铸坯的性能和质量对钢产品后续生产及最终产品质量均有着重要的影响。钢在高温下的性能直接依赖于不同热、力履历下的显微组织状态,并最终取决于具有不同电子结构的基本相性能。从电子结构计算出发认识高温下性能演化的基本原理,并与显微组织结构及性能的量化研究相结合,可以为基于量子力学计算的连铸等高温过程中钢产品显微组织、性能和质量调控以及高品质钢种的优化设计奠定基础。基于此,论文首先从连铸高温过程出发,对复杂热履历下铸坯性能、显微组织演化规律进行了量化研究;并应用基于密度泛函理论的第一性原理方法,理论计算了钢中Fe基体相的磁性、弹塑性性能和晶格膨胀等内禀属性的高温演化规律,深入讨论了高温性能演化的物理本质。主要研究结果可概括如下:（1）研究分析了连铸冷却速率对铸坯热塑性、应力-应变曲线及峰值应力/应变等性能高温演化规律的影响。通过对两类钢种不同冷却速率(100600°C min-1)下的热塑性研究,建立了二冷低延性区温度范围与冷却速率间的量化关系,即ΔΤ-Aln（CR）+B。随着冷却速率的增大,铸坯二冷低延性区同时向高温及低温区域扩展。但冷却速率对高温下铸坯的应力-应变关系、峰值应力及峰值应变等基本性能的影响相对较小,晶界形变诱导或先共析铁素体膜（DIF或PF）和第二相粒子作用下的微孔断裂机制没有发生明显改变。Ae3（或Ar3）-TC附近,铸坯的峰值应力与峰值应变随温度的演化规律发生明显转变,分别与形变诱导铁素体（或先共析铁素体）的析出以及铁素体中磁性结构的转变密切相关。（2）建立了奥氏体相变过程的量化分析模型,讨论了连铸冷却速率对相变过程的影响。以两类钢种较大冷却速率范围内(5300°C min-1)的线性热膨胀测试为基础,在获得铸坯不同冷却条件下线性热膨胀性能的同时,回归分析建立了描述连续冷却过程中奥氏体相变温度（Ar3和Ar1）、冷却速率和平衡相变温度三者关系的量化模型,即Ar（℃）=Ae-exp（B+ClCR）。并从奥氏体相变过程中各基本相的晶体结构差异出发,提出了基于铸坯线性热膨胀信息计算奥氏体相变过程中组织演化规律的方法。两个钢种显微组织的量化研究表明,随着冷却速率的增大,α-铁素体体积分数增加,固态相变速率加快,奥氏体相变温度在较小冷却速率(<100°C min-1)范围内下降明显。上述奥氏体相变的量化研究,可以为铸坯表面温度、显微组织的调控,进而实现铸坯性能和质量的优化控制奠定基础。（3）研究分析了连铸回温过程、回温速率对铸坯性能的影响;结合第一性原理计算,认识了高温性能的演化机理。连铸回温条件下,铸坯经历了冷却及回温过程中的奥氏体（?）α-铁素体双相变过程,促使α-铁素体在Ae3附近就已存在。与此相对应,铸坯二冷低延性区以及峰值应力、应变随温度变化的拐点均向高温区移动了约50°C。但回温速率(60300°C min-1)对铸坯断裂失效方式及其性能的高温演化规律影响较小。不同磁-弹、体积-弹性及体积-磁性作用下的第一性原理计算表明,PMα-Fe中晶格膨胀和局域磁矩对c’存在相互竞争的贡献,导致α-Fe中c’和杨氏模量E随温度变化相对稳定,这也是奥氏体-α-铁素体相变过程中,峰值应力出现明显转折的本质原因。（4）计算研究了电子自旋涨落对PM Fe基体相弹性性能高温演化规律的重要贡献。应用EMTO第一性原理计算方法,提出了简单、准确的应用包含Jacobian项的配分函数构建高温顺磁下电子自旋涨落分布的方法;并首次采用二次形式的平均磁矩msf随温度的演化规律描述高温下复杂的自旋涨落分布,在Fe基体相弹性常数计算中取得了与电子自旋分布相当的结果。与晶格热膨胀相结合,在自旋涨落热-磁作用下,准确计算了PM Fe基体相的单晶弹性常数c’和c44及其随温度的演化规律,并对比研究了电子自旋涨落对Fe基体相高温下的磁性、弹性性能的影响。相较而言,PMγ-Fe中热-磁作用较强,电子自旋涨落对弹性常数及其演化速率影响较大。特别是对于c’,电子自旋涨落使得γ-Fe的c’降低了约25%,并使其随温度的软化速率减缓了约22%。（5）实现了PM Fe基体相线性热膨胀性能第一性原理计算,并量化研究了热-磁作用对晶格膨胀及相关高温性能的影响。以第一性原理计算为基础,提出了通过对包含热-磁,磁-弹及晶格振动相互作用的Helmhotltz自由能的自洽计算理论预测晶格膨胀的方法。在量化讨论PM Fe基体相热-磁及体积-磁性作用下的平均局域磁矩msf、单晶弹性常数随温度和体积的演变规律基础上,编程实现了PMα-Fe和γ-Fe高温下线性热膨胀性能及杨氏模量、剪切模量、泊松比、Debye温度和体模量等内禀属性的准确计算。通过对比计算研究,首次讨论了自旋涨落下热-磁作用对PMα-Fe和γ-Fe高温下晶格膨胀性能的影响。相较而言,α-Fe中热-磁作用较弱,对其热膨胀性能的影响较小;而对于γ-Fe,由于较强的热-磁及磁性-晶格振动耦合作用,其高温下的平衡体积（Wigner-Seitz半径）在热-磁作用下明显下降了约0.018Bohr。热-磁作用下,理论计算结果更为准确。