金属零件中非金属夹杂物的存在严重削弱了基体的力学性能,因此高端装备用大型锻件对其内部非金属夹杂物的尺寸与分布状态均具有严格限制。现阶段的冶炼技术无法完全去除钢中的非金属夹杂物,对于钢锭内部危害较大的大尺寸硬性夹杂物,锻造变形是使其破碎和弥散的主要途径。因此,针对锻件中硬性夹杂物锻造过程中的破碎与弥散行为展开研究,可为解决生产中由硬性夹杂物导致的锻件制废问题提供相应的理论基础与技术支撑。本文以钢中典型的硬性Al2O3夹杂为研究对象,采用热压烧结方法制备了内含不同气孔率的烧结Al2O3夹杂试样。通过Gleeble-3800热/力模拟试验机及专用的加热压缩装置对烧结Al2O3夹杂试样进行了系列变形条件下的热压缩实验,获得了不同气孔率Al2O3夹杂的相关热物理性能参数,并建立了气孔率相关的Al2O3夹杂高温破碎强度预测模型。研究表明,烧结Al2O3夹杂的气孔率与烧结温度呈负相关;Al2O3夹杂高温破碎强度与应变速率呈正相关,与气孔率和变形温度呈负相关,且对变形温度更敏感;较高的Z值或较低的气孔率均会导致其破碎模式由沿晶断裂向穿晶断裂转化。将Al2O3夹杂高温破碎强度预测模型嵌入有限元模拟软件,建立了基于Voronoi结构的晶间内嵌Cohesive单元的Al2O3夹杂代表体元模型,以夹杂高温破碎强度为其破碎行为的临界判据,对Cohesive单元失效参数进行了标定,并采用跨尺度子模型方法分析了各因素对锻件中Al2O3夹杂破碎变形的影响。研究表明,比例系数k=2时Al2O3夹杂的模拟真实应力-应变曲线与实验真实应力-应变曲线具有更高的吻合度;变形温度的升高或变形速度的降低均会促进近密实状态Al2O3夹杂的破碎;随着夹杂所处位置由小变形区过渡到大变形区,夹杂破碎难度逐渐降低;夹杂形状越规则、气孔率越低,其在锻造过程中发生破碎的难度越大。采用粉末冶金技术与3D打印熔覆成形技术相结合的方法制备了内置Al2O3夹杂的金属试样,对内置Al2O3夹杂金属试样与含原生Al2O3夹杂金属试样进行了系列变形条件下的锻造实验,补充研究各因素对Al2O3夹杂破碎及弥散行为影响的同时还对前述有限元模拟方法进行了验证。研究表明,Al2O3夹杂气孔率越高,变形路径越复杂,其在锻造过程中越易发生破碎与弥散变形;降低变形温度或提高变形速度的工艺方案可显著提高具有较高气孔率Al2O3夹杂的破碎与弥散程度,反之则更有利于具有较低气孔率Al2O3夹杂破碎的发生;含原生Al2O3夹杂试样锻造变形实验进一步验证了上述有限元模拟及实验研究的准确性。基于Al2O3夹杂破碎与弥散工艺的研究基础,为进一步评估含夹杂锻件的相关性能,烧结制备了弥散分布不同粒径与含量Al2O3夹杂的304L金属试样,通过相关力学性能测试实验研究了弥散态Al2O3夹杂的含量与尺寸等因素对其金属基体力学性能的影响。研究表明,常温拉伸实验中,弥散分布Al2O3夹杂试样的拉伸损伤因子与夹杂含量呈正相关,且随着夹杂粒径的提高呈现先下降后上升的趋势;夹杂含量与粒径的提高均会促进金属基体断裂机制由韧性断裂向脆性断裂转变。高温压缩实验中,弥散分布Al2O3夹杂试样的应力软化指数随着夹杂含量与粒径的提高而增加;随着夹杂粒径的提高,试样软化机制由动态再结晶软化和界面裂纹软化结合的混合软化机制向界面裂纹软化机制转变。