合理成形工艺的设计与新工艺、新材料的开发都需要防止成形过程中开裂的产生。金属多晶体材料的断裂失效在本质上是一个多尺度力学行为,宏观的断裂现象来源于微观上的空洞演化。尽管材料内部的微空洞十分细小,初始空洞体积比一般不足1%,然而由夹杂物脱落所造成的空洞形核,以及变形过程中空洞的长大、聚合最终会导致宏观断裂。常用工程材料内初始微空洞的尺寸约为十微米,晶粒尺寸一般在几十至几百微米的范围内,两者处于同一尺寸量级。因此,材料的晶粒结构,包括晶粒尺寸、混晶程度,以及晶粒组织的演化,如高温下的动态再结晶,都会影响空洞的行为。本课题以单相奥氏体不锈钢316LN的韧性断裂为研究对象,基于物理实验、有限元模拟与塑性力学理论,从宏微观相结合的角度研究了常温下晶粒尺寸与高温下动态再结晶对其损伤累积的影响,确定了晶粒组织—空洞演化所造成的细观损伤—宏观断裂间的关系。基于动态再结晶对空洞损伤的影响规律,建立了用于预测热变形损伤断裂的定量模型。损伤、断裂的建模中,细观模型能够体现韧性断裂的本质与机理,而宏观唯象模型形式比较简单、便于应用,因此,对两种建模方式都进行了考察。本文的主要研究内容如下:微观角度上,多晶体材料内由晶粒取向差所导致的变形不均匀会影响空洞损伤的累积与韧性断裂的产生,不同晶粒尺寸材料内由于微观变形不均匀程度存在差异,其损伤累积的速度与方式也有所不同。为确定晶粒尺寸对韧性断裂的影响方式,采用实验与晶体塑性模拟相结合的方法研究了316LN材料在单向拉伸过程中的变形特征、空洞演化规律与断裂行为,从微观至宏观尺度揭示了晶粒尺寸-微观变形不均匀-空洞损伤-韧性断裂间的关系。研究结果表明,在固定加载条件下,空洞尺寸分布与应变分布具有较高的一致性,局部变形集中的区域,空洞长大明显。晶粒尺寸增大,变形的不均匀程度增大,空洞尺寸的波动范围增大。通过对空洞尺寸的分布规律进行定量分析,建立了晶粒尺寸修正的空洞长大模型。不同晶粒尺寸材料内空洞长大的差异会造成空洞聚合模式的差异,最终形成不同形貌的断口。大晶粒条件下,断口形貌不再是典型的杯锥状,而是为随机分布的大韧窝,表明大晶粒条件下韧性断裂的产生来源于大空洞的聚合。当材料内部存在毫米级十分粗大的晶粒时,试样在塑性变形中出现宏观变形集中,材料的塑性变形能力显著降低。高温下材料的塑性变形能力通常会随着温度、应变速率的改变而发生变化,其本质原因在于热变形条件下复杂的组织演变,如再结晶、相变、夹杂物的析出与溶解等会改变材料的力学性能。针对热变形动态再结晶这一影响因素,在不同温度、应变速率条件下开展高温拉伸实验,对断口纵截面处的再结晶情况与空洞形貌进行观察,探究并阐明了动态再结晶对空洞演化与材料塑性变形能力的影响规律。当动态再结晶程度较低时,断口处的空洞为近似椭圆形的不规则形状;当断口处完全动态再结晶时,空洞呈现明显的拉长型形貌。不同再结晶条件下断口处空洞形貌的差异表明动态再结晶会显著影响空洞的行为。空洞演化的驱动力为材料内部的应力集中,而动态再结晶的发生能够极大地缓解局部应力集中,使空洞的长大被延缓。部分再结晶条件下,空洞与再结晶晶粒接触的部位其长大受到阻碍;而完全再结晶条件下,空洞的长大被完全抑制,空洞随基体的变形逐渐被拉长。在已有的关于高温断裂的建模中,少有对热变形条件下空洞的行为以及热变形复杂组织演化的考虑。基于热变形条件下受动态再结晶影响的空洞演化,对GTN-Thomason塑性损伤模型中的空洞参量进行再结晶修正,建立了用于预测热变形损伤的细观模型。动态再结晶所带来的材料软化减小了夹杂物与基体接触部位的应力集中,使夹杂物不易破碎或从基体内脱离,空洞在较大的应变下形核。因此,空洞形核应变随着再结晶程度的增大而增大。此外,动态再结晶对空洞-空洞间应力的缓解作用使空洞聚合在更小的间距下才发生,表示为模型中空洞聚合临界体积比的增大。以动态再结晶体积比作为再结晶进行程度的定量表征,对GTN-Thomason模型进行再结晶修正,建立了能够体现热成形过程中空洞演化的耦合型损伤模型。将模型植入有限元模拟,根据实验结果对其进行参数标定与有效性验证。准确的预测热变形过程中断裂的产生对于制定合理的热成形工艺具有重要的意义。出于工程应用方面的考虑,在应力相关的冷变形唯象断裂模型的基础上,引入断裂应变与动态再结晶的关系,建立了热变形韧性断裂模型,模型形式简单,便于应用。首先通过实验与有限元模拟相结合的方式,确定了不同热变形条件下材料的应力-应变关系与断裂应变。以Zener-Hollomon参数(Z参数)作为受温度、应变速率影响的动态再结晶的表征,确定了断裂应变与Z参数的关系:在无动态再结晶发生的热变形中,断裂应变与Z参数没有明显的关联性;而在动态再结晶发生后,断裂应变随Z参数自然对数的增大近似为线性减小。将Z参数、动态再结晶百分比引入冷变形断裂模型,建立了动态再结晶修正的唯象断裂模型。所建立模型的验证结果表明,其能在广泛的应力状态与热成形条件下准确的预测断裂的产生与扩展。作为工程应用实例,将模型应用于顶盖类大型锻件热锻成形的断裂预测中。