金属热成形时,坯料与模具在高温、高压和剧烈滑动下接触,表面接触伴随着热和力的传递、物质的迁移、结构的演化、材料的氧化与损伤等。坯料的塑性变形热、界面摩擦热、界面传热特性、模具表面氧化与损伤等影响因素复杂,是一个复杂的跨尺度的热-力耦合问题,涉及力学、材料学、摩擦学、传热学等多学科交叉知识。本文基于坯料/模具间的真实接触表面,从微观角度出发研究金属热成形过程中的摩擦热、变形热及热量传递方式,探讨坯料/模具界面接触换热行为的微观机制与传热特性;采用非平衡态分子动力学（NEMD）方法并结合声子散射理论,对微/纳尺度下的模具粗糙界面声子热传递过程进行定性分析,揭示了模具接触界面热量输运的作用机理;同时,运用ReaxFF反应力场对模具工作表面氧化层的形成、生长过程进行了分子动力学模拟,结果发现了一些有趣的关于界面氧化物的形成、生长机制,为深入理解界面传热对模具表面氧化与模具表面损伤失效的相互关系提供了必要的理论依据。基于上述试验与模拟分析结果,本文最后借助于Deform-3D软件对TC11钛合金齿轮盘的热成形过程进行了热力耦合模拟,并结合锻件生产与模具失效的统计数据,综合分析了该锻模在三个易磨损部位的主要失效机制,并针对这些失效机制产生的“根源”,最后对锻模表面分别进行了复合陶瓷涂层与多金属耐热涂层处理,通过降低界面接触换热系数（Interfacial Heat Transfer Coefficient,IHTC）,达到了改善锻模表面受热状况的目的。开展此项目研究对提高产品质量和延长锻模使用寿命具有重要的现实意义。本课题所开展的探索性工作及取得的研究成果总结如下:1)开发了一套基于真实锻造环境的实验平台用以测试金属热成形时的界面传热特性。以公认的难成形材料GH4169高温合金与TA11钛合金为研究对象,在经渗氮热处理的H13热平模上进行镦粗试验。利用多通道热电偶埋入法实测金属热变形过程中上下模及坯料的温度变化,并对上下模温进行适当控制以计算各锻造工艺参数条件下坯料/模具界面的IHTC值。此试验平台亦可用于其他新产品、新材料的测试研究工作。2)基于热传导反算中的非线性估算法,建立了求解界面热流及IHTC值的数学模型,并在此基础上开发了热传导反算程序。通过对比数值模拟温度与试验研究的实测温度,验证了该热传导反算模型计算IHTC值的准确性与可靠性。基于该反算模型,对坯料热锻成形时其与模具界面的接触换热行为进行了深入研究,重点考察了坯料始锻温度、模具预热温度、坯料保温时间、坯料形变速率等工艺参数对IHTC的影响规律。试验结果表明:坯料始锻温度对IHTC影响不大,而其余工艺参数对其影响较为明显。其中,坯料形变速率对IHTC的影响最为显著。当模具的预热温度在150⁴00oC温度区间时,IHTC总体上随模具预热温度的升高而不断增大,但过高的预热温度引起较大的IHTC值,使得模具工作表面的热应力迅速增大,影响了模具的服役寿命;随着坯料保温时间的延长,IHTC值不断降低。保温时间的延长使得坯料有更充分的时间进行氧化,氧化层存在于接触界面对传热有明显的阻碍作用,当保温达到某一时间后,氧化层对界面传热的阻碍作用逐渐减弱;坯料形变速率较小时,其对IHTC的影响较小,但当形变速率大于0.1s^-1时,界面氧化层在变形金属剪切力的作用下,开始成片剥落,导致坯料与模具界面直接接触,同时,坯料中的塑性变形热和界面摩擦热在短时间内大量产生,两者共同作用使得界面传热状况得到很大改善,此时,IHTC值又随之迅速增加。3)建立了非对称界面接触模型,运用分子动力学方法研究了声子在微/纳尺度粗糙界面的热输运过程,讨论了界面晶格缺陷浓度、不同界面平均温度以及坯料截面尺寸变化对声子传热系数的影响特性。结果表明,界面晶格缺陷浓度是影响声子热输运能力的一个重要因素,当晶格缺陷浓度增加,界面处声子不匹配程度恶化,界面热阻增加,导致声子传热系数急剧下降;高温时的高频声子在能量传输过程中会被分解成两个或多个低频声子,增加了声子在界面的传输概率,声子传热系数相应地随之增大;不对称的接触界面在一定程度上限制了声子的热量传输,当模具截面大小保持固定,而坯料截面在增大到与模具截面相近的过程中,声子传热系数不断增加,但声子传热系数的增幅随后随着界面接触面积的增加而逐渐减缓并最终趋于某一固定值。随后利用ReaxFF反应力场对FeCr合金与Ni金属在接触界面平均温度分别为573K、673K和773K时在（010）晶向上的氧化动力特性进行了模拟研究,通过对氧化膜总吸氧量和膜厚度的分析,查明了模具界面温度变化对氧化动力的影响规律,并将分析得到的动力学数据与岛状生长模型进行了拟合,确定了氧化物的生长机理。即界面氧化物的生长是通过向内和向外扩散的阴、阳离子的协同运动来实现的,其生长模式是由初始态的岛状生长方式（<75 ps）向最终的逐层生长方式（>100 ps）转变;界面平均温度与界面晶格缺陷浓度的增加均有利于界面氧化物的生长,其中界面平均温度的增加对氧化物生长的促进作用更大一些。4)基于瞬态传热理论,将已测得的界面接触换热系数h作为边界条件,并考虑坯料热成形时的形变热和界面摩擦热,推导出了热锻模工作时其表面层温度场的工程计算式,并基于该计算式分析了热锻模在连续工作时其表面层的瞬时温度峰值;同时,还结合现有的理论模型分析了锻模的应力场（热应力场和机械应力场）,重点推导了锻模表面危险点的拉、压热应力峰值公式,并在此基础上讨论了热应力的影响因素。5)以某企业TC11钛合金齿轮盘的模锻生产过程为例,运用Deform-3D软件进行了热力耦合模拟,并结合锻件生产与模具失效的统计数据,综合分析了锻模中三个易磨损区域的主要失效机制。在1区,坯料与模具接触时间较长,随着界面传递热量的增加,模腔表面发生了软化,在高的机械压应力作用下该区域发生了粘着磨损;在3区,因氧化物颗粒和热机械疲劳裂纹产生的碎片滞留在锻模表面,并伴随着热锻过程的进行,碎片在模腔表面上发生密集流动,最终直接导致锻模表面的磨粒磨损;而在2区,其工作条件不如3区和1区恶劣,但由于锻模表面存在较大的热应力并在机械压应力的耦合作用下,锻模表面发生了机械裂纹,但该机械裂纹并没有导致锻模表面材料的明显损耗。锻模表面的这些失效机制都直接或间接与IHTC相关,较高的IHTC值使锻模工作表面形成很大的峰值温度和热应力是导致锻模诱发各种损伤失效的“根源”。为此,本文最后依据功能梯度模具材料的设计思想,对H13锻模表面分别进行了复合陶瓷涂层与多金属耐热层处理,通过降低IHTC值、改善锻模表面受热状况从而达到延长锻模服役寿命的目的。试验实测结果表明:复合陶瓷涂层与多金属耐热层表面处理工艺是降低IHTC值、改善锻模表面受热状况的两种有效措施,可分别应用于不同的锻造场合。与常规渗氮热处理的锻模表面相比,复合陶瓷涂层与多金属耐热涂层对界面传热的阻碍作用更强。其中,陶瓷涂层由于具有更低的热导率,其在低形变速率下工作时对界面传热的阻碍能力明显强于多金属耐热涂层,但在坯料形变速率大于0.1s^-1时,复合陶瓷涂层容易剥落,导致隔热效果显著降低;相比之下,多金属耐热涂层与H13基体钢的粘结强度较高,其在高形变速率下工作时不易剥落,仍然对界面传热保持较强的阻热能力。以上的研究工作为精密塑性成形学科提供了比较准确、可靠的实验数据,也为功能梯度模具材料的设计提供了参考依据,同时为延长模具寿命和提高产品精度奠定了一定的知识基础。