由于结构材料需在高负载状态下服役,我们希望它能够具备高强度和高塑性。通常情况下,强化金属材料是通过细化晶粒或提高位错密度的方式来实现,然而,强度和塑性存在着此消彼长的倒置关系。在细晶基质中引入粗晶形成的非均匀结构存在多样性的、大应变梯度的塑性变形方式,在保证强度的同时,提高了金属材料的塑性。本论文选择密排六方结构锆作为研究对象,以提高强度和塑性为研究目的。采用室温轧制变形的方式,研究了轧制工艺对金属锆微结构演化和力学性能的影响。主要研究内容和结果如下:一、利用室温大应变量轧制结合低温退火的技术,制备出了具有优异力学性能的非均匀结构锆。其抗拉强度和均匀延伸率分别为669 MPa和9.9%,在真应变小于15%时,加工硬化率高于粗晶并最终持续到17.5%。非均匀结构锆的高强度归因于存在纳米和超细尺度的晶粒以及高的背应力,高塑性归因于存在背应力硬化。二、研究了应变量对室温轧制锆微结构演化和力学特性的影响。实验结果表明,随着应变量的增加,晶粒细碎化程度加深,位错密度增加;450°C退火后,随着应变量的增加,抗拉强度和均匀延伸率同步提高,且当应变量为3.9时,形成典型的非均匀结构。晶粒细化和背应力增大提高了材料的强度,背应力硬化和位错硬化提高了材料的塑性。三、研究了退火工艺对锆微结构和力学性能的影响。当退火温度低于450°C时,晶粒尺寸较小,表现出低塑性(4%);450°C退火形成非均匀结构,强度和塑性得到较好地结合;高于450°C的两步退火形成粗晶结构,表现出低强度(560 MPa)。四、研究了脉冲参数对锆力学性能的影响。当脉冲频率由300 Hz增加到500 Hz时,抗拉强度和均匀延伸率均增大;当脉宽由50μs增加到120μs时,抗拉强度和均匀延伸率同步提高。产生这些变化的原因是由于高频率、大脉宽有利于增强电塑性效应,促进位错的移动和动态再结晶的发生,从而提高了强度和塑性。