现代制造业的快速发展,对零部件的综合力学性能提出了更高的要求。具有纳米/超细晶结构的零件因具有高的强度、硬度和较好的塑性等优异的综合力学性能而备受关注。目前传统的块体纳米/超细晶材料制备方法因所需应变量大导致其成形工艺复杂;而且所成形的试样体积较小,不符合现代工业生产的要求。因此,如何在小应变条件下实现大体积纳米/超细晶零件的高精度、低成本制造已成为实现纳米/超细晶零部件大规模应用的关键和难点。本文在国家自然科学基金项目“强力旋压制备纳米/超细晶筒形件的方法及机理研究”(课题编号:51075153)和广东省自然科学基金项目“错距旋压制备纳米/超细晶筒形件的方法及机理研究”(课题编号:10151040301000000)的资助下,提出采用淬火、强力旋压和再结晶退火相结合的方法,解决了制备纳米/超细晶筒形件所需应变量较大的难题及强力旋压过程中晶粒变形的方向性问题;围绕纳米/超细晶筒形件成形方法、微观组织演变规律、纳米/超细晶生成条件、塑性变形机理及力学性能等方面展开研究。其主要研究内容包括:(1)强力旋压法制备纳米/超细晶筒形件成形方法研究基于上限法,在分析强力旋压时未变形区、变形区及已变形区金属流动规律的基础上,首次建立了对轮旋压时的金属流动模型与等效应变分布模型,并与错距旋压进行对比,研究了旋压成形方法(错距旋压与对轮旋压)和减薄率对旋压件等效应变大小及分布的影响规律;采用有限元数值模拟及金相试验验证了理论推导建立的等效应变模型的可靠性;在此基础上,研究旋压方法对晶粒尺寸及分布的影响规律,获得强力旋压时的晶粒细化规律,为纳米/超细晶零件的制备奠定了理论基础。(2)强力旋压法制备纳米/超细晶筒形件成形试验研究在分析目前块体纳米/超细晶材料制备方法的基础上,探索降低将晶粒细化到纳米或超细晶级别所需应变量的途径,提出采用“淬火+强力旋压+再结晶退火”的方法来实现在小应变条件下制备纳米/超细晶筒形件,设计相应的旋压成形工装设备,以20钢为毛坯材料,确定各工序的工艺参数(淬火时的温度、保温时间、冷却介质,强力旋压时的道次减薄率、进给比、错距量、旋轮结构形状及再结晶退火时的温度、保温时间等);并进行成形试验,对成形过程中的宏观质量(相对壁厚偏差、椭圆度、直线度及粗糙度)和典型缺陷的成因进行分析,获得了预防典型缺陷的措施。(3)强力旋压法制备纳米/超细晶筒形件微观组织演变规律研究通过金相试验、透射电镜观测(TEM),研究纳米/超细晶筒形件制备过程中相组成、晶粒尺寸、形态及位错的演变特征,揭示了淬火、强力旋压及再结晶退火全流程微观组织演变规律;对比分析了平衡组织和马氏体组织在强力旋压过程中取向差角及亚结构的演变过程,获得了铁素体、渗碳体及马氏体在强力旋压过程中的演变特征,揭示了塑性变形时的晶粒细化机理;基于X-射线衍射(XRD)试验,对纳米/超细晶筒形件制备过程中的位错密度进行测量,获得了位错密度及储存能对晶粒细化的影响规律;从宏观成形工艺和微观组织结构两个方面揭示纳米/超细晶的生成条件。(4)纳米/超细晶筒形件塑性变形机理及力学性能研究以获得的平均晶粒尺寸为160nm的纳米/超细晶筒形件为对象,进行进一步的强力旋压试验,研究纳米/超细晶筒形件在强力旋压过程中晶粒大小、形态及位错密度演变规律,揭示了纳米/超细晶筒形件的塑性变形机理为晶界滑移和晶粒转动,同时还伴随有少量的位错滑移;基于拉伸试验,对获得的纳米/超细晶筒形件的力学性能进行研究,其抗拉强度由425MPa上升到815MPa、硬度由155HV上升到305.3HV,塑性略有减低,由24%下降到17.5%,所获的纳米/超细晶筒形件具有较优异的综合力学性能;同时结合微观组织观测,探索出微观组织对纳米/超细晶零件力学性能(强度、硬度及塑性)的影响机制,为纳米/超细晶零件的大规模应用奠定了理论基础。