铸钢件因其设计合理性与实用性得到了工程界越来越多的关注。与热轧钢构件相比,铸钢件的浇注过程容易卷入气体、杂质等,并且缺少轧机轧制过程,导致铸钢中的缺陷数量远多于热轧钢中的缺陷数量。缺陷的存在破坏了材料的连续性,减小了构件受力时的有效截面面积,造成局部构件及整体结构力学性能下降。由于铸钢件总是带缺陷工作的,该问题制约了铸钢材料、构件和结构的进一步发展应用。只有充分认识缺陷对铸钢件和结构系统力学性能的影响,才能在设计与应用中充分体现铸钢件的优势。铸钢件中的宏观缺陷易于观测和发现,相关研究较多,在工程中已引起了相当的重视,制定了相应的检测、修补方法和措施。因此,本文重点研究了铸钢材料中的微细观缺陷,实际为等效直径大于62.23μm的细观孔洞。论文首先对铸钢材料的化学成分、微观结构、宏观力学性能进行研究;然后基于X射线断层扫描方法,对铸钢材料中细观缺陷的特征（数量、大小、形态和分布规律）进行统计分析,并按照细观缺陷的真实形态建立三维有限元模型,探讨细观缺陷特征对材料力学性能的影响;其次从缺陷形核、长大和聚合3个阶段研究了材料的变形与破坏机制;最后对GTN细观损伤模型进行改进并利用该模型实现了铸钢件承载能力的验算。主要研究内容及成果如下:1.铸钢材料化学成分、微观结构及宏观力学性能的研究。为了更全面、准确地掌握铸钢材料的特性,对工程常用铸钢材料G20Mn5N的化学成分、微观结构和宏观力学性能进行了试验研究,并与普通热轧钢Q345、高强热轧钢Q460进行了详细地对比分析。利用直读光谱仪对3种钢材的化学成分进行分析;利用光学显微镜对3种钢材的组织结构进行观察;利用扫描电子显微镜对3种钢材的拉伸断口进行分析;最后利用三维数字图像相关（DIC）方法对G20Mn5N铸钢试样的单调拉伸试验过程进行监测,求得该材料的各项宏观力学性能参数,并与已发表文献中Q345热轧钢和Q460热轧钢的宏观力学性能进行比较分析。结果表明,铸钢材料与热轧钢材料中含量相差最大的元素为镍元素,由于G20Mn5N铸钢中镍元素的含量比Q345热轧钢和Q460热轧钢中的镍元素含量高,所以铸钢的组织更均匀更细小,该微观结构特征又进一步影响了铸钢的宏观力学性能,主要表现为铸钢具有更好的韧性。2.铸钢材料中细观缺陷的数量、大小、形态及分布规律的研究。基于三维X射线断层扫描技术对工程中常用的G20Mn5N铸钢、Q345热轧钢和Q460热轧钢3种钢材中的细观缺陷进行观察,对比分析了铸钢与热轧钢材料中细观缺陷在数量、大小及形态方面的异同点。然后按照缺陷特征对铸钢材料中的细观缺陷进行分类,并对细观缺陷的分布规律进行统计。分析结果表明,铸钢材料中细观缺陷的数量约为热轧钢材料中细观缺陷数量的5倍,并且铸钢材料中细观缺陷的体积更大、形态更不规则;铸钢材料中的细观缺陷可以分为气孔、气缩孔和缩孔3类;缺陷的等效直径大小遵从三参数对数正态分布;材料中各类缺陷的分布是否均匀与其数量没有直接关系,而是由缺陷的形成原因所决定,缺陷之间的聚合倾向受缺陷数量的影响较大,数量越多发生聚合的概率越大。3.铸钢材料中细观缺陷特征对其力学性能的影响研究。基于G20Mn5N铸钢的三维X射线断层扫描数据,构建了与铸钢材料中细观缺陷大小相同、形态一致的三维实体模型,然后考虑细观缺陷的尺寸大小、形态特征等,建立了施加周期性边界条件的代表性体积单元（RVE）模型,以研究细观缺陷特征与材料宏观力学性能之间的关系。研究结果表明,不能将具有复杂形态的细观缺陷简化或理想化等效为球体,等效后的缺陷完全光滑,会造成较大的分析误差;细观缺陷的体积、形态对应力集中、材料弹性模量均有影响,缺陷体积越大、缺陷形态越不规则,缺陷引起的应力集中越严重、对材料弹性模量的折减就越大;临界应变值是缺陷增长速率由慢变快的分界点,初始缺陷体积分数越大,对应的临界应变则越小,但是缺陷形态对缺陷增长过程中临界应变的影响不显著。4.载荷作用下铸钢材料中细观缺陷演化过程的研究。基于中断的非原位X射线断层扫描试验,分别从缺陷形核、长大和聚合3个阶段揭示了材料的变形与破坏机制。由于材料微细观结构上的不均匀性,随着基体应变的不断累积,新的缺陷不断产生,在新缺陷产生的同时,伴随着缺陷体积的增长,当缺陷的大小、数量演化到一定程度后便会相互聚合形成裂纹。结果表明,材料内部缺陷的形核、生长和聚合行为是相辅相成的,并非完全独立的,对缺陷的某个演化阶段进行分析时不应该独立于其它阶段而单独分析;中心裂纹在轴向拉伸载荷的作用下沿垂直于载荷的方向进行扩展,由于受最大切应力和最小颈缩横截面影响,裂纹实际是沿2个45°方向的平面交替扩展。5.铸钢材料细观损伤本构模型研究及铸钢件承载能力校核。将Ramberg-Osgood弹塑性硬化准则、Thomason塑性极限载荷模型与GTN细观损伤模型进行耦合,耦合后的细观损伤模型有效解决了材料硬化与缺陷聚合问题;进一步研究了细观损伤模型参数的标定方法,将X射线断层扫描试验与反演法相结合确定了细观损伤模型的最优参数组合值,该方法克服了单一标定方法的局限性。最后基于不考虑损伤的本构模型和考虑了损伤的本构模型分别对铸钢件的承载力进行校核验算,结果表明,是否考虑损伤对铸钢件正常使用极限状态的校核结果影响不大,但是对铸钢件的极限承载力校核结果有较大影响。