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近年来，随着加工制造业的不断发展，大棒材作为重型设备、冶金机械等重要原材料的需求持续增加，质量要求也越来越高，如何解决大尺度棒材内部组织性能的均匀性和稳定性问题，一直是国内外学者和业界关注的焦点。本文在国家自然科学基金项目“大尺度轴类零件连续纵轧成形制造技术基础研究”（51005197）资助下，以大棒材连轧过程为研究对象，采用非线性有限元法进行棒材连轧过程热-力-组织耦合数值模拟，研究轧制过程中轧件内部温度、应力应变、晶粒尺寸等各场量的分布状况及变化规律，重点研究了大棒材轧制过程金属变形不均匀性、温度不均匀性及其所导致的组织性能不均匀性问题，并通过物理验证数值模拟结果的正确性。以高温奥氏体形变再结晶理论模型为基础，分析了42CrMo钢奥氏体晶粒在热轧过程中的动态再结晶、静态再结晶和晶粒长大行为及其数学模型，并以此为基础，结合国内某厂Ф150大棒材生产工艺，采用刚塑性有限元方法，建立了大棒材连轧过程热-力-微观组织耦合有限元模型。通过模拟计算，分析了棒材内部应力应变、轧制温度、晶粒尺寸等场变量的演变规律。为表征截面微观组织的均匀性，引入不均匀因子M作为量化指标，通过DEFORM二次开发将不均匀因子公式嵌入有限元软件子程序，研究了轧制温度、轧制速度、孔型延伸系数等工艺参数对高温奥氏体再结晶晶粒尺寸及组织均匀性的影响规律。仿真模拟结果表明，采用低温轧制可以有效细化晶粒，但存在均匀性差的问题，而适当增加延伸系数可以弥补这一不足，即采用低温大压下量轧制可以获得良好的轧件截面晶粒尺寸与均匀性，并从轧制力能参数等因素分析了该工艺在现有机组的实施可行性问题。利用燕山大学轧钢实验室水平二辊轧机，采用等轴断面设计方法自行设计了箱型孔型系统，进行42CrMo钢方坯热轧实验，实际测量了轧制力，并对轧后试件进行取样获得了晶粒尺寸等参数。同时，对实验工况进行了有限元模拟分析，并将模拟结果与实验结果进行比较，二者基本吻合，验证了有限元分析结果的正确性。