搅拌摩擦加工(FSP)是近年来发展的一种新材料塑性加工技术,制备的细晶铝合金可以在低温和高应变速率下获得超塑性,具有广阔的应用前景,受到众多材料科技工作者的重视。本研究工作对FSP铝合金超塑性变形热点和一些难点问题进行了深入、细致的研究。主要目标为:揭示FSP工艺、微观组织特征与超塑性变形规律之间的关系以及超塑性变形过程中微观组织变化、流变应力和变形机制间的关系。主要开展了以下几方面的研究工作:　　 选择Al-Zn(7075Al)、Al-Mg(Al-5.3Mg-0.23Sc)和Al-Cu(2219Al)三种典型铝合金体系进行FSP,通过采用小尺寸工具和流水冷却抑制晶粒生长,制备出含高比率高角晶界的超细晶结构。高密度热稳定弥散粒子抑制FSP再结晶晶粒生长,有助于获得超细晶结构。低温(≤350℃)超塑性研究表明,超细晶Al-Mg-Sc和7075Al中含有高密度热稳定弥散粒子,可有效阻止晶粒长大,因而在175-350℃表现出良好的低温超塑性,而2219Al中的第二相粒子在超塑性变形过程中迅速粗化,不能有效阻止晶粒长大,因而低温超塑性较差。研究表明,FSP铝合金低温超塑性变形的最佳变形速率、最大延伸率和应变速率敏感指数随温度升高而增加。建立了纳米压痕仪刻痕法定量评价超细晶材料超塑性变形过程中晶界滑移贡献的新方法。定量计算表明,由于FSP合金含有高比率的高角晶界,即使在175℃的低温下,超塑性变形初始阶段晶界滑移对应变的贡献超过50％,随着变形量的增大和变形温度的提高,晶界滑移的贡献增加。这为多年来晶界滑移在低温下能否发挥作用的争议画上了句号。　　 通过调控FSP参数,实现了细晶结构精确控制,在Al-Mg-Sc合金中制备出不同晶粒尺寸、均匀分布、含高比率高角晶界、织构很弱的等轴细晶。首次在微米结构的Al-Mg-Sc合金中,获得了大于2000％的延伸率,并且应变速率为l×10-1 s-1,高于其他方法制备的超细晶Al-Mg-Sc合金。研究表明降低晶粒尺寸,并不一定有利于获得高应变速率超塑性:晶粒尺寸细小的铝合金可以在低温获得优良的超塑性,但高温下晶粒结构不稳定,很难在高温高应变速率获得很高的延伸率；晶粒尺寸中等的铝合金具有晶粒尺寸与晶粒热稳定的最佳匹配,最有可能在高温和高应变速率获得优异的超塑性；晶粒尺寸粗大的铝合金很难在低温取得超塑性,但在高温下晶粒结构稳定,有可能在高温下获得较高的延伸率。另外,晶粒尺寸离散程度增加不利于获得优良的超塑性。大量电子背散射研究发现,挤压铝合金超塑性变形主要经历了亚晶动态生长、动态再结晶、晶粒动态生长三个变形阶段,带状晶粒逐渐转变为等轴晶,晶粒取向差在样品断裂前转变为随机分布。而晶粒取向差随机分布的FSP铝合金在变形过程中一直以晶界滑移及伴随的晶粒动态生长为主,晶粒取向差保持随机分布,颠覆了传统上认为超塑性变形至晶粒取向差随机分布就发生断裂的观点。　　 提供了两种通过。FSP从铸态铝合金直接制备细小均匀等轴晶的方法:(a)大尺寸加工工具低转速两道次重叠FSP,(b)小尺寸加工工具高转速单道次FSP。两种方法制备的细晶铝合金均可以取得500％以上的延伸率,对铸锭均匀化处理后再FSP,在高应变速率获得了890％的延伸率,并分析了微观组织变化、性能差异因为及其变形机制。为建立短流程三段式制造工艺“铸造+FSP+超塑性成型”及其优化方案提供了理论依据。　　 与其它FSP超细晶铝合金相比,FSP Al-4Mg-1Zr超细晶铝合金中含有数量更多、尺寸更细小的弥散粒子,可以在从低温到高温非常宽的温度范围内获得超塑性,为阐明低温和高温超塑性之间的联系提供了依据。研究表明,FSP超细晶铝合金在低温和高温超塑性变形规律和变形机制相同。最佳超塑性应形速率(ε)opti、最大延伸率和应变速率敏感指数随温度T升高而增加,(ε)opti和T之间存在下列关系:log(ε)opti=0.0182T+T(C是与材料和结构相关的常数)。超塑性数据分析表明,FSP超细晶铝合金的超塑性变形机制为晶界滑移为主,变形速率受晶格扩散控制,建立了超塑性本构方程。　　 (ε)=5×107D0Eb/kTexp[-142000/RT][b/d]2[σ-σ0/E]2　　 并构建了FSP铝合金的超塑性变形机制图,为设计不同晶粒尺寸FSP铝合金获得优良超塑性提供了依据。