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随着模具行业向大型、复杂、精密、高效率、快节奏方向发展,其服役环境越来越苛刻,对模具及其材料的安全可靠性和服役寿命提出了更高要求。尤其是热作模具服役时受高温+大应力且相互耦合,导致服役寿命严重降低。因此,开发新型高强韧长寿命热作模具钢迫在眉睫。如何通过微合金化和热处理调控钢中碳化物种类、尺寸、分布及其界面关系是实现高强韧热作模具钢开发的前提。然而,热作模具钢中合金元素种类多、含量高,如何实现碳化物的种类及特征参量的理想分布以充分挖掘模具钢服役过程中的性能潜力难度很大;同时,热作模具钢的服役工况往往是温度高、应力大且相互作用,导致钢的损伤因素复杂多变。故开展热作模具钢的组织性能调控及热-力耦合作用下的损伤机理研究意义重大。本文首先以4Cr5MoSiV1为研究对象,研究了热作模具钢4Cr5MoSiV1组织性能间的内在关联及其高温断裂机制,分析了碳化物类型、尺寸、形貌和分布等特征参量与裂纹萌生及扩展的关联关系,观察了裂纹附近显微组织的演变规律,为开发高强韧型热作模具钢提供一定的理论基础。在此基础上,制备了高强韧钛微合金化4Cr5MoSiV1Ti热作模具钢,通过改变合金成分和热处理工艺对4Cr5MoSiV1Ti热作模具钢进行组织性能调控;设计开发了热-力耦合条件下模具的动态损伤物理试验平台,开展了热挤压过程中4Cr5MoSiV1Ti模具钢的损伤行为研究,考察了钛微合金化4Cr5MoSiV1Ti热作模具钢在热-力耦合条件下的损伤机理,为高端模具钢的开发奠定理论基础。研究结果表明:4Cr5MoSiV1钢中第二相由主要含V的MC型碳化物和含Cr的M7C3和M23C6型碳化物构成;球状或椭球状的MC型碳化物析出于回火马氏体板条内或板条界处,其与基体具有半共格的界面关系,可增强钢的热稳定性和抗回火软化能力;形状不规则的M7C3和M23C6型碳化物主要析出于原奥氏体晶界或马氏体板条界处,与基体保持非共格的界面关系。随着回火温度的升高和时间的延长,4Cr5MoSiV1钢的硬度下降主要是由于高密度位错的回火马氏体经历了回复、局部再结晶,合金碳化物的析出和再结晶晶粒的生长所导致的。具有非共格界面关系且形状不规则的M7C3和M23C6碳化物的生长激活能较低,拉伸过程中更易生长且有形成应力集中的尖角存在,更易促进应力作用下裂纹的萌生。具有共格/半共格界面关系的MC型碳化物可抑制位错在晶界处富集,且在裂纹扩展过程中能有效传递载荷,对裂纹萌生及扩展有一定抑制作用。低温拉伸时4Cr5MoSiV1热作模具钢中回火马氏体上分布着大量纳米级的第二相颗粒及高密度位错,且位错滑移仅能在有限距离内进行,此时模具钢具有高强度低韧性;而升高拉伸温度后,回火马氏体的回复和局部再结晶、位错密度的下降引起基体的软化和滑移及交滑移的相互作用是获得较高的伸长率和断面收缩率的主要原因。在580℃、1 mm/min的单向拉伸条件下,4Cr5MoSiV1钢穿晶断裂时裂纹两侧形成了宽约100 nm的α相纳米晶形变带,这主要是由于高温变形过程中回火马氏体分解、局部再结晶和α相塑性变形的动态平衡所导致的。由于裂纹尖端受到强烈的应力作用和存在晶粒转动/滑动现象,发现了4Cr5MoSiV1热作模具钢中裂纹尖端形成的尺寸约为200 nm的“环形”位错组态。同4Cr5MoSiV1热作模具钢相比,添加0.13 wt%Ti的4Cr5MoSiV1Ti钢的室温强度和伸长率分别提高了13.5%和17.7%;同时,增加了二次硬化点的峰值硬度（提高3.9 HRC）,二次硬化峰值温度（提高20℃）和扩散激活能（增加23k J/mol）。即该合金具有更好的高温稳定性和抗回火软化能力,这可能与微量Ti元素的添加形成了尺寸约为50 nm富含Ti的MC型碳化物密切相关。回火过程中4Cr5MoSiV1Ti硬度下降主要是由于回火马氏体内高密度位错相互作用、抵消,形成位错墙或位错列,回火马氏体边界波浪状变化,第二相碳化物粗化以及局部再结晶亚晶粒的长大造成的。设计开发的热-力耦合条件下模具动态损伤物理试验平台主要包含液压控制系统、中频感应加热系统、压力位移获取系统、凸模表面温度测量系统和坯料转移系统等。基于该物理试验平台,研究了热-力耦合条件下4Cr5MoSiV1Ti热作模具反挤压1000℃的45#钢时凸模工作带圆角的宏观形貌、微观组织、元素分布及力学性能演变规律。热-力耦合作用下凸模的主要损伤形式为工作带圆角坍塌损伤,表面氧化和高温磨损。热挤压后凸模工作带圆角处的显微组织由表及里可分为表层细晶区、次表层塑性流变区和最内侧的类原始组织区三部分;且塑性流变区的宽度随挤压次数的增多逐渐增加。4Cr5MoSiV1Ti钢的表面软化主要是由热-力耦合下的过回火现象、碳化物与位错的交互作用和碳化物的粗化行为三方面造成的。发现了具有核壳结构的Ti-V复合MC型碳化物,其中芯部为四边形Ti C与外壳为球形VC具有完全共格的界面关系,该碳化物的形成可有效提升材料在服役过程中的高温性能稳定性。