晶粒细化是目前金属材料同时强韧化最有效的手段,但是当晶粒尺寸减小到某一临界值时,虽然强度依然提高,而塑性却显著下降,制约了超细晶金属的应用。对此现象已有很多研究,但已有理论在解释超细晶金属塑性降低的现象时均存在一定的不足。本文以不同晶体结构的金属与合金(纯铁、低碳钢、Ti_43.5Ni_6.5Fe合金、405铁素体不锈钢和304奥氏体不锈钢)为研究对象,研究晶粒尺寸对其塑性行为的影响,获得了导致塑性降低的临界晶粒尺寸并分析了其机制。主要结论如下:1)通过大塑性变形+再结晶退火工艺制备了不同晶粒尺寸样品,利用SEM、TEM等手段分析了样品晶粒的尺寸及特征,结果显示:纯铁试样的平均晶粒尺寸为0.53-8.17μm;Ti_43.5Ni_6.5Fe合金试样最小平均晶粒尺寸达到0.16μm,最大晶粒尺寸为6.5μm;低碳钢、405铁素体不锈钢和304奥氏体不锈钢最小晶粒在1μm左右,最大平均晶粒尺寸都在6.5μm上下。此外,还发现:晶粒尺寸越细小,六边形晶粒所占比例越高,120°的晶界夹角数量越多。2)室温拉伸实验结果表明,五种超细晶金属材料的强度均随着晶粒的细化而不断提高,而塑性随着晶粒细化先升高后下降。例如:超细晶纯铁晶粒尺寸从8.17μm细化到0.53μm时,抗拉强度由380 MPa提高到910 MPa;而断后延伸率先由8.17μm时的18%升高到2.50μm的22%,之后在0.53μm时降为接近0%。3)研究结果显示,本实验条件下,纯铁样品塑性显著降低的临界晶粒尺寸为2.50μm,低碳钢样品为3.04μm,405不锈钢样品为3.09μm,304不锈钢样品为2.02μm。可见,临界晶粒尺寸受合金元素及晶体结构的影响,纯金属的塑性降低的临界晶粒尺寸小于固溶体合金,面心立方晶体结构金属的塑性降低的临界晶粒尺寸小于体心立方晶体。这主要是合金元素及晶体结构对位错运动行为的影响结果所致。4)超细晶金属塑性行为研究结果还显示,加工硬化率与延伸率及晶粒尺寸无必然关系。低的加工硬化率（如:2.50μm的纯铁、3.04μm的低碳钢）也可以拥有优良的塑性,而塑性很差的试样（1.59μm的纯铁、2.00μm和2.50μm的低碳钢）的加工硬化率也可以很高。405铁素体不锈钢和304奥氏体不锈钢试样的加工硬化率随着晶粒尺寸的细化,不断降低;随着晶粒尺寸的降低,Ti_43.5Ni_6.5Fe合金试样的加工硬化率变化不明显。5)时效处理对超细晶405铁素体不锈钢的塑性变形行为有较显著的影响。晶粒尺寸小于1.8μm时,试样的延伸率较时效前保持不变,强度却提高了200 MPa;晶粒尺寸为1.8μm时,材料的延伸率和时效前一样都是18%,但抗拉强度强度从650MPa提高到800 MPa。时效后405铁素体不锈钢的导致塑性降低的临界晶粒尺寸为1.74μm,这主要是因为时效处理样品中高密度α’相所致。α’相富含Cr元素,硬度高,且与基体共格,能有效阻碍位错运动和累积位错并且不会产生明显的应力集中。