大塑性变形（SPD）可以细化金属材料的微观组织,调整其晶体取向,提高其力学性能。变形后的退火处理可以进一步调控其位错密度、晶粒尺寸、第二相数量及分布等,获得良好的强塑性匹配。本文分别以具有密排六方和体心立方结构的α-Zr和β-Zr合金为研究对象,采用单轴拉伸实验、电子背散射衍射（EBSD）及透射电子显微分析（TEM）技术,系统对比研究了搅拌摩擦加工（FSP）和高压扭转（HPT）过程中的晶粒细化机制与组织演变规律,以及后续退火处理对合金静态再结晶机制与晶粒长大行为、拉伸力学性能与变形机制的影响规律。选用具有三种不同母材组织特征（水冷淬火、炉冷淬火、高温退火）的α-Zr（Zr-4）合金进行FSP处理,对比研究了其组织演变规律及晶粒细化行为。母材组织在晶粒尺寸、晶体学织构上差异明显,但对FSP后搅拌区（SZ）内的组织特征影响不大。在热力耦合的作用下,SZ内的形变组织通过连续动态再结晶方式完成晶粒细化过程,形成了平均晶粒尺寸约为1μm的超细晶组织。由于SZ内独特的材料流动方式,Zr-4合金FSP后在SZ内形成了晶粒c轴垂直搅拌针圆柱表面分布的织构类型。相应地,在SZ中心区域,晶粒c轴则平行于加工方向。然而,具有不同晶粒尺寸和初始织构的母材经FSP后,在热机械影响区（TMAZ）内存在明显的组织特征差异,即板条组织样品在热循环作用下发生板条粗化,而在粗晶组织样品中由剪切应力所激发的孪晶行为促进了晶粒细化过程,并伴随孪晶诱导动态再结晶现象。对比研究了Zr-4合金经室温HPT后的组织演变规律。与FSP不同,室温变形条件下HPT的组织演变机制以动态回复为主,仅出现部分动态再结晶。经5圈HPT变形的合金获得了平均尺寸约为200 nm的超细晶组织,但具有高能的非平衡晶界,且组织内部含有高密度位错及小角度晶界。对经FSP与HPT的超细晶Zr-4合金进行退火处理时发现:HPT样品晶粒取向相对分散,且变形组织中位错密度更高,这为第二相的弥散分布以及钉扎晶界提供了有利条件,因此该类超细晶组织在退火过程中可保持良好的热稳定性;而在FSP样品中,极强的晶体学织构使得组织中出现大量超细晶取向趋于一致的晶粒汇聚现象,因此在退火过程中易发生晶粒长大。进一步研究了SPD样品退火处理及晶体学织构对Zr-4合金单轴拉伸力学性能和变形机制的影响。对同一织构类型样品,再结晶退火处理使其拉伸强度下降,塑性提高,这主要归因于平均晶粒尺寸的增大和位错等亚结构的减少。但对于改变拉伸方向的不同织构类型样品而言,由于{10（?）2}拉伸孪晶启动的临界分切应力（CRSS）高于柱面滑移,因此,当引起样品屈服的主导变形机制从柱面滑移变为{10（?）2}孪晶时,可使得合金的屈服强度升高。通过分析不同样品中晶粒拉伸变形时{10（?）2}拉伸孪晶开启的施密特因子（SF）值,从晶体取向角度解释了不同样品孪晶行为的差异,并利用应变协调因子（m＇）分析了超细晶Zr-4合金中孪晶链与孪晶带的形成机理。与α-Zr（Zr-4）合金相比,锻造态的粗晶β-Zr（ZrTiAlV）合金经过一个道次的FSP可获得平均晶粒尺寸约为5μm细晶组织,且在FSP过程中同时发生的连续动态再结晶以及不连续动态再结晶是SZ内晶粒细化的主要机制。经FSP加工后的β-Zr合金具有良好的综合力学性能,其抗拉强度为1083 MPa,断裂延伸率达到了18.3%,其强韧化机理为晶粒细化、位错强化以及拉伸变形过程中由马氏体相变所产生的TRIP效应的耦合作用。FSP后续退火处理中所析出的α相可以进一步提高β-Zr合金的强度,但随着α相含量的增加,合金塑性发生下降,这是因为α相的析出提高了β相晶粒的化学稳定性,分割了原始β相晶粒,由此提高了β相晶粒在拉伸变形过程中产生马氏体相变的触发应力,抑制了TRIP效应。α-Zr合金与β-ZrTiAlV合金经大塑性变形（SPD）后均表现出明显的组织细化及力学性能提升,但合金成分与晶体结构的不同导致了两者强韧化机理具有较大的差异,孪晶的启动可提高Zr-4合金的屈服强度,变形诱导马氏体相变的产生可提高ZrTiAlV合金的塑性与加工硬化率。同时,前者退火后晶粒粗化导致强度下降,而后者在退火过程中析出的α相导致强度进一步提高。