热锻模具是汽车、船舶、装备制造业等支柱产业中重要的工艺装备。工作中锻模受到复杂而剧烈的载荷作用,寿命普遍偏低。前人研究发现,热疲劳失效是引起锻模失效的主要形式,热负荷引起的热应力的大小直接决定了锻模的热疲劳寿命,而热应力产生的根本原因是热锻模表面层温度变化剧烈且存在温度梯度。因此,要提高热锻模寿命,就必须了解锻模模膛工作过程中温度梯度分布的情况。本文首先描述了热锻模表面层所受到的热负荷及热应力,重点阐释了热应力对锻模热疲劳寿命的影响,指出研究锻模表面层温度梯度对提高模具寿命和研究多金属热锻模的重要性。虽然前人对锻模整体的温度场和应力场已做了深入的研究,但在锻模模膛表面层的温度梯度分布及影响因素方面还没有做过定量的分析。第二部分介绍了利用有限元模型对热锻模具工作过程中表面层的温度场进行热力耦合分析的原理,并利用热弹性基础理论将锻模表面层的受热情况简化为一个一维传热的问题,推导得出表面层热应力与温度梯度之间的关系,说明了在整个锻造过程中,无论是用均质材料还是梯度多金属材料,热应力的大小都与表面层的温度梯度相关。第三部分作者以Deform有限元软件为工具,以轿车前轮毂热锻模的终锻模为模型,以0.1mm为基本单位重点细化了模膛表面层2mm以内的网格,将锻模模膛表面层划分为四大危险区域,定量的分析了各区域在第一次工作和连续工作时的温度梯度分布的变化规律。第四部分通过对不同导热系数,比热容,预热温度,打击速度,摩擦系数下温度梯度的变化情况,揭示了影响温度梯度分布的材料热物性参数和工艺参数,为合理的控制热锻模表面层的温度提供了依据。最后介绍了多层金属热锻模的概念及设计思路,按照前几章所得到的温度梯度的相关规律,对锻模模膛表面层进行了梯度分层的定量计算,并且根据实验测定的成分梯度变化的覆层的热物性参数,对多层金属热锻模具的工作过程进行了仿真分析,发现多层金属热锻模具可以降低表面层各区域的温度及温度梯度,且不同材料层界面间的畸变小,层与层之间可以平缓过渡。多层金属热锻模具具有减轻模具高温软化、降低表面层热应力,提高热锻模使用寿命的优异性能。本文不仅分析了模膛表面层温度梯度的分布规律,找到影响温度梯度的因素,而且定量表征了温度梯度的大小。相关结论解释了热锻模的损伤与失效作用机理,为多金属热锻模表面层的材料设计提供了技术依据。