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随着精密锻造的发展，“纳米结构钢”的提出，低碳钢的热变形行为受到了广泛研究者的关注。因此，本文以20CrMnTiH钢为研究对象，采用Gleeble-3500热模拟试验机对20CrMnTiH钢进行热压缩变形处理，研究其高温热变形行为和低温热变形行为，建立了不同变形条件下的本构关系模型、动态再结晶模型以及热加工图，利用光学显微镜、场发射扫描电镜和透射电镜分析了其微观组织演化规律，优化了20CrMnTiH钢的热加工区域，探究出了一种20CrMnTiH钢纳米结构马氏体板条的制备方法。本论文获得的研究成果如下： 1. 通过高温热压缩变形，建立了20CrMnTiH钢包含应力σ、应变速率 、变形温度T和变形量ε的热变形本构方程和动态再结晶的临界模型；由热加工图确定了20CrMnTiH钢的最优热加工工艺变形温度为900℃~1025℃、应变速率为0.01s-1~0.2s-1。 2. 20CrMnTiH钢高温热变形微观组织表明，20CrMnTiH钢在高温实验条件下都呈现出动态再结晶的特征，且当应变速率一定时，再结晶晶粒尺寸、马氏体束尺寸随着变形温度的升高而增大，显微硬度随着变形温度的升高而降低；当变形温度一定时，再结晶晶粒尺寸、马氏体束尺寸随着应变速率的增大而减小，显微硬度随着应变速率的增大而增大。 3. 20CrMnTiH钢低温热变形微观组织表明，随着过冷奥氏体的变形温度的降低，奥氏体和马氏体位错密度增加，硬度提高，马氏体组织细化。20CrMnTiH钢在650-600℃以5s-1的速率变形至50%时，马氏体块尺寸由1.46μm增大至2.84μm，硬度由527.16HV减小到454.54HV。 4. 随着过冷奥氏体的变形量的增加，淬火后得到的马氏体位错密度增加，硬度提高，马氏体组织细化。当20CrMnTiH钢在600℃以5s-1的速率变形30%-50%时，马氏体束、块、条的尺寸分别由6.84um，2.21um，230nm减小到4.68um，1.46um，90.29nm ，硬度由501.85HV增加至527.16HV，纳米压痕硬度由7.05Gpa增加至7.9Gpa，弹性模量由247.638Gpa增加至259.89Gpa；而在 600℃以5s-1的速率变形70%时，马氏体束、块、条的尺寸分别为8.28um ， 2.63um ， 340nm，硬度为472.4HV，纳米压痕硬度为6.52Gpa，弹性模量为236.503Gpa。