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近年来,超细晶材料(Ultrafine-grained materials,UFG)因其具有比传统粗晶材料更加优异的综合性能而受到国内外学者日益广泛的关注,成为金属结构材料领域的研究热点之一。等通道转角挤压(Equal Channel Angular Extrusion,ECAE)作为最具代表性的一种大塑性变形技术(Severe Plastic Deformation,SPD),具有模具结构简单、变形前后不改变试样截面形状和尺寸、可实现多路径反复多道次变形等优点,被广泛应用于制备多种块体超细晶(包括亚微米晶和纳米晶)材料。然而,传统ECAE工艺存在单道次晶粒细化能力不强、试样应变分布不均匀、多道次变形工序繁琐、挤压成形效率不高等问题,在一定程度上限制了其工业化应用。本文以发掘材料性能潜力为出发点,基于“一次挤压,多种工艺,连续变形”的研究思路,突破传统ECAE全过程通道截面尺寸相等的思路,将“球形分流”和“膨胀挤压”结构引入ECAE,提出等通道球形转角挤压(Equal channel angular extrusion with spherical cavity,ECAE-SC)与等通道球形转角膨胀挤压(Equal channel angular expansion extrusion with spherical cavity,ECAEE-SC)两种集塑性剪切、膨胀和挤压等多种变形形式于一体的新型复合SPD工艺,旨在实现坯料单道次复合、连续、高效成形,进而有效细化材料微观组织,提升材料综合性能,这对于发展和创新轻质材料的制备加工技术具有重要意义。全文基于有限元数值模拟技术、金属塑性成形原理、摩擦学基本理论等知识,综合运用理论分析、数值模拟和实验研究三种技术手段,明确了新型SPD变形过程中材料的塑性流变特征与变形行为,探讨了材料微观组织、力学性能及摩擦学性能的演变规律,阐明了剧烈塑性变形诱导下材料的晶粒细化机制与强韧化机理,从根本上揭示了“变形工艺-微观组织-综合性能”三者之间的内在联系。采用Gleeble-3500热压缩模拟试验研究了6061铝合金高温流变行为,建立了包含Zenen-Hollomon参数的双曲正弦形式的修正Arrhenius方程。在自行设计的ECAE模具上完成6061铝合金4道次热挤压变形实验,并对变形试样进行了组织观察与性能测试。结果表明,单道次ECAE变形不均匀,材料内部晶粒破碎不充分;随着变形道次的增加,材料内部累积应变量增大,晶粒细化程度不断提高,抗拉强度和硬度值得到有效提升。4道次ECAE变形后,获得了细小、均匀的等轴超细晶组织,材料综合性能良好。基于传统ECAE工艺技术原理和数值模拟技术,建立了两种新型复合SPD工艺(ECAE-SC与ECAEE-SC)变形过程的刚粘塑性有限元模型,较为完整地揭示了复合剧烈塑性变形过程中材料的塑性流变特征以及挤压载荷、应力、应变等场量的分布及变化规律。同时,明确了复合SPD工艺变形过程中的关键技术因素,确定了合理的模具结构、工艺参数和成形方案。结果表明,新型复合SPD工艺在改善材料流动性、增大累积应变量、提高挤压效率与变形均匀性等方面均优于传统ECAE工艺。在此基础上,研制了不同变形形式的实验用复合SPD挤压模具。为了降低新型复合工艺的开发周期和设计成本,采用更易塑性变形的纯铝1060为实验材料,并以传统ECAE变形为对照组,顺利完成了ECAE-SC与ECAEE-SC两种复合SPD工艺室温单道次挤压变形实验,并对变形后的材料进行了组织观察与性能分析。结果表明,复合SPD工艺实现了坯料的连续、高效成形,变形金属流动性得到改善,可避免出现传统ECAE变形模具转角处的“死区”。单道次变形后,原始粗大的铸态晶粒受剪切作用发生破碎和细化,材料内部形成了细长的条带状剪切带,组织呈纤维状且分布较为均匀。与传统ECAE变形材料相比,ECAE-SC与ECAEE-SC变形后材料力学性能提升明显,显微硬度(58.7 HV与70.2 HV)与抗拉强度(131.2 MPa与165.5 MPa)得到显著改善,增幅分别为123.5%与135.8%。纳米压痕硬度测试结果与显微硬度测试结果相吻合。对新型复合SPD工艺变形材料的微观结构特征进行EBSD表征,获得了取向成像图、晶粒图、取向差分布图、晶粒尺寸分布图、极图和反极图等晶体学信息,并深入进行了TEM组织结构分析。结果表明,相比传统ECAE工艺,ECAE-SC与ECAEE-SC具有更加强烈的塑性剪切作用,材料晶粒细化与破碎程度更大。复合剧烈塑性变形过程中,织构的产生和消失是动态连续变化的,存在着“织构起伏”效应。单道次ECAE-SC变形组织为大、小角度晶界并存的混合组织,其塑性变形机制以位错滑移为主;而单道次ECAEE-SC变形组织主要为具有大角度晶界结构的细小晶粒,其塑性变形由位错滑移与连续动态再结晶两者共同驱动。采用机械剪切模型对新型复合SPD工艺成形过程进行力学解析,建立了累积应变量的理论计算模型,计算结果与数值模拟值相吻合,阐明了新型ECAEE-SC工艺下材料的晶粒细化机制。结果表明,三种SPD工艺下ECAEE-SC变形应变累积量最高,晶粒细化效果最好,在机械镦-剪-挤耦合作用下,其晶粒细化机制以位错变形机制为主,并伴有不完全连续动态再结晶。变形初期,通过塑性应变累积形成了大量交叉的平行剪切带,晶粒发生破碎细化,变形组织以小角度晶界亚晶为主。变形后期,通过细小亚晶的破碎、旋转与合并,形变储能驱动了连续动态再结晶过程的发生,小角度晶界结构逐渐转变为大角度晶界结构。ECAEE-SC工艺膨胀通道结构的特殊设计可提供近似背压作用,有效提高了塑性应变累积量,材料强韧化机理由晶粒细化、位错作用、晶界强化与织构转变等多种机制联合作用。基于球-面接触往复式摩擦磨损试验,研究了不同条件下材料的摩擦磨损性能,通过对磨损表面进行SEM和三维形貌观察,阐明了复合SPD工艺对材料摩擦学性能影响的作用机理。结果表明,ECAE变形后材料耐磨性能提升明显,随着挤压道次的增加,耐磨性能不断增强。三种SPD工艺(ECAE、ECAE-SC与ECAEE-SC)均有利于提高材料的耐磨性能,其中ECAEE-SC提升效果最好。不同变形条件下材料的磨损机制存在很大差异。ECAE变形材料磨损机制是以磨粒磨损和氧化剥层磨损为主导的混合磨损机制;ECAE-SC变形材料磨损机制以磨粒磨损为主,氧化剥层为辅;而ECAEE-SC变形材料磨损机制则以磨粒磨损主导,并伴有轻微氧化磨损。该论文有图117幅,表10个,参考文献165篇。