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剧烈塑性变形是一种制备块体超细晶/纳米晶材料的方法，近年来受到了广泛的关注。通过剧烈塑性变形法细化材料的组织，可以显著地提高材料的力学性能，改变其物理化学性能。本文从具有典型晶体结构(面心立方、体心立方、密排六方)的金属中选择铜、镍、铝、钨、钛等纯金属进行剧烈塑性变形，对其组织性能演变规律进行研究。
通常认为剧烈塑性变形组织细化的机理有：位错结构演化、剪切带细化以及孪生细化等。随着研究的深入，连续再结晶在剧烈塑性变形中的作用受到重视。已有的研究表明，在大变形量(如轧制压下率>95％)、高的应变速率和较低的变形温度等条件下，由于可以获得相对均匀的变形组织(如对铝而言大角度晶界比例>70％)、同时较低的温度有利于抑制晶界的快速长程迁移，从而有利于抑制不连续再结晶，促进连续再结晶的发生。这些条件在通常的塑性加工中难以满足，阻碍了对连续再结晶规律的深入认识。而这些条件恰好符合剧烈塑性变形的特征，因而可望通过剧烈塑性变形中组织演变的研究推动连续再结晶的研究，同时也为探索剧烈塑性变形组织细化机制提供一条新的途径。本文就此问题以面心立方金属为研究对象，选择堆垛层错能不同的铜、镍、铝进行研究。
细化晶粒是改善金属材料韧性的有效方法。体心立方结构的钨具有熔点高、强度高等特点，在军事和民用领域都有很多应用。然而由于块体金属钨在室温下处于脆性状态而极大地限制了其应变。探索采用剧烈塑性变形来细化纯钨的晶粒组织，研究降低其韧脆性转变温度的潜力和机制，可望对这种难熔重金属的性能改进和应用领域的扩大做出贡献。
孪生是两种晶体学塑性变形机制之一。已经进行的研究表明机械孪生可以对某些面心立方金属在特殊条件下塑性变形中的组织细化和性能提高起到关键重要作用。但其在通常比面心立方金属更易于发生孪生的密排六方金属中是否可起到同类作用却并不清楚。另一方面作为典型密排六方结构金属的钛，其力学性能的提高对其生物医学等应用具有重要的意义。因此本文选择钛作为密排六方金属的典型代表来探索剧烈塑性变形中孪生对组织演变与材料强化的作用。
本研究主要围绕以上三个问题进行研究，通过典型面心立方、体心立方、密排六方金属铜、镍、铝、钨、钛的剧烈塑性变形、透射电子显微分析、背散射电子衍射分析、扫描差热分析、力学性能试验等，探索了剧烈塑性变形中材料组织演变的机理和性能演变规律。在本研究范围内，具有低中高堆垛层错能的面心立方金属铜、镍、铝，在室温等径角变形中都以位错滑移变形为主，没有观察到孪生现象，其组织演变以位错结构演化及相关的回复和再结晶为主；由于钨在室温下硬而脆，本文中其变形选择在高温下进行，也没有观察到孪生。密排六方的金属钛，在室温等径角变形中观察到孪生的显著贡献，变形中滑移位错和孪晶的交互作用对组织演化起到重要作用。这些研究取得以下主要结论：
(1)高层错能的金属铝(γm=200 mJ/m2)在室温等径角变形中通过“位错回复形成低位错密度的板条状亚结构→板条分割形成亚晶粒→亚晶粒逐渐等轴化”的方式发生连续动态再结晶；低层错能的金属铜(γm=40 mJ/m2)在室温等径角变形中通过“位错绕结形成位错胞→位错胞壁凝聚形成亚晶界→亚晶合并形成大角度晶界”的方式发生连续动态再结晶；由于室温只相当于镍熔点的～0.17，金属镍(γm=130 mJ/m2)在室温等径角变形中没有发生再结晶，但由于层错能的作用，其位错组织演变处于铜和铝的组织演变模式之间，先形成高密度位错的板条状组织，随变形量的增大板条逐渐细化，后期通过跨板条的合并局部形成大角度界面的等轴组织。
(2)金属的层错能(γm)和变形条件(以Zener-Hollomon参数Z表示)对金属的动态再结晶方式起决定性作用，当γm·ln2Z>30时，金属在变形过程中发生的动态再结晶将是连续的。
(3)通过高温等径角变形，工业纯钨的晶粒由～50μm细化到～1μm，组织更加均匀。高温硬度试验和拉伸力学性能试验表明，其韧脆性转变温度(DBTT)降了70～130℃，不同试验温度下硬度提高～50％，强度提高约一倍。通过高压扭转变形，可以将纯钨的组织细化到～150 nm，显微硬度提高100％，在一定温度范围内，这种纳米结构的组织比粗晶钨常规变形组织具有更好的热稳定性。
(4)工业纯钛经两道次室温等径角变形(累积等效真应变～0.9)，在组织中形成大量孪晶，产生孪晶强化，拉伸屈服强度达到～730MPa，显微硬度达到～HV240。高于前人在高温下等径角变形加工8～12道次(等效真应变约8～12)后的屈服强度(620～640MPa)，接近Ti-6Al-4V的屈服强度。
(5)工业纯钛室温等径角变形后组织中观察到{1012}<1011>孪生面的衍射斑点分裂现象。通过建立位错反应方程，结合位错反应能量分析表明，这是由于滑移位错与孪晶界交互作用在孪晶界上形成柏氏矢量1/2[0001]的弗兰克位错，这些位错在孪晶界上堆积，造成孪晶界的取向差增大或者减小。这种现象在发生孪生的金属中，是一种普遍现象。