传统滚压工艺往往侧重于对表面光整和应力强化的研究,实际上,通过对传统表面强化技术的改进,可以成功实现材料表层的自纳米化。这一方面可以把纳米材料的独特性能赋予传统工程材料,制备出具有独特结构和优异性能的表层,另一方面也为制备纳米材料提供了新的方法和思路。同时,利用滚挤压方式诱导金属材料使其实现表面纳米化也有助于改进传统滚压工艺方法。因此,本文提出了一种名为剧烈塑性滚柱滚压(Severe Plastic Roller Burnishing,SPRB)的表面强化技术,并对SPRB诱导纯铜梯度纳米-微米结构的晶粒细化机理及纳米表层性能进行了深入研究。在大塑性变形下,材料所表现出的各向异性是连续塑性力学理论难以去描述的,而晶体塑性有限元法(CPFEM)可有效地模拟材料在局部大塑性变形下的力学响应及织构演变情况。因此,本文利用该方法模拟了SPRB过程,并对其力学响应和取向稳定性进行了研究。本论文主要研究内容及结论如下:(1)采用SPRB方法实现了纯铜表面纳米化,所诱导出的纳米晶表层晶粒尺寸为4~18 nm。采用SEM、TEM、XRD、OM等测试方法对试样横截面、表面、不同层深的组织特点和材料表面性能进行研究。得出了SPRB沿层深的晶粒细化机制。在纳米晶层(层深为0~30μm)中,纳米晶的形成主要由位错运动主导并伴随着局部区域的晶粒旋转;在亚微米晶层(层深为30~100μm)中,变形孪生是形成亚微米晶的主要机理;在微米晶层(层深为100~600μm)中,粗晶通过剪切带和位错分割的共同作用,将晶粒从几十微米细化至几个微米大。(2)研究了SPRB工艺参数对纯铜力学性能及表面使用性能的影响。通过对具有梯度纳米结构的滚压样和粗晶样在干摩擦条件下进行的球-平面微动磨损试验的对比结果表明:SPRB可显著提高试样硬度,与基体相比,表面硬度可提高1.7倍以上;滚压样在实验负载范围内均表现出更好的抗微动磨损性能和更低的摩擦系数。同时SPRB可极大程度提升试样的表面质量。在对SPRB光整作用的研究表明:SPRB可将试样表面粗糙度最高降至原粗糙度的2%;存在合适的滚压力及滚压速度使试样表面达到最低表面粗糙度;滚压力是影响试件表面粗糙度及显微硬度最主要的因素,滚压速度次之,车削进给速度最弱。(3)建立了形状可控的二维、三维Voronoi几何体并提取其几何拓扑信息,通过Python与Matlab的交互环境实现了在ABAQUS/CAE的几何特征重构,建立了单(多)晶体的有限元几何模型;设计了一种正交网格的算法以实现多晶体几何模型的网格划分。通过开发用户自定义材料本构关系子程序,在ABAQUS/CAE中实现了晶体塑性有限元(CPFEM)的数值模拟,并采用CPFEM模拟对单晶体在单轴拉伸、压缩、纯剪切条件下的应力-应变响应、滑移系变形情况及晶体旋转进行验证,证明了所开发的UMAT子程序的正确性。(4)采用CPFEM法对SPRB过程进行FCC晶体理想取向的稳定性研究。法向受压、横向受拉的简化模型的结果表明:旋转高斯组分为稳定取向,立方组分为亚稳定取向。预测结果与纳米晶滚压试样的表层织构组分一致;类轧制模型的结果显示,其与纯铜、纯铝冷轧织构的试验结果基本一致。