NiTi基形状记忆合金因为具有优异的形状记忆特性、超弹性、良好的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性,在航空航天、机械、医用等领域得到广泛应用。NiTiFe形状记忆合金相变温度低,高温下稳定性好,是航空管路连接用管接头的首选材料。等径角挤压(ECAE)作为一种大塑性变形工艺,可在不改变材料尺寸的情况下有效细化晶粒,从而提高材料的力学性能。本文以NiTiFe形状记忆合金为研究对象,将等径角挤压工艺实验、有限元模拟、热压缩实验、金相显微技术(OM)、电子背散射衍射技术(EBSD)和透射电子显微技术(TEM)相结合,研究了 NiTiFe形状记忆合金等径角挤压塑性变形微观结构演化规律,揭示了 NiTiFe形状记忆合金等径角挤压塑性变形机制,为采用等径角挤压工艺实现NiTiFe形状记忆合金的晶粒细化提供科学的理论基础。(1)在不同温度(300°℃、400℃、500℃和600℃)和不同应变速率(0.001S-1和0.01S-1)下对NiTiFe形状记忆合金试样进行了压缩实验,获得了各试样真应力-真应变曲线,并对压缩后的试样进行了金相显微组织分析。结果表明:300℃和400℃热压缩过程中NiTiFe形状记忆合金一直处于加工硬化状态;500℃热压缩过程中NiTiFe形状记忆合金内部发生了动态回复;600℃热压缩过程中NiTiFe形状记忆合金内部同时发生了动态回复和动态再结晶。因此,为避免NiTiFe形状记忆合金等径角挤压过程中发生动态再结晶,等径角挤压温度设定为400℃、450℃和500℃。另外,热压缩实验数据为NiTiFe形状记忆合金等径角挤压宏观有限元模拟提供了所需要的材料本构模型。(2)基于弹-塑性有限元理论,采用商用ABAQUS有限元模拟软件,针对不同的内转角(Φ=90°、105°和120°)、不同的内转角半径(r=0.5mm、1mm、1.5mm)和不同的外转角半径(R=1mm、2mm、3mm),对NiTiFe形状记忆合金等径角挤压工艺进行了有限元模拟。模拟结果表明,NiTiFe形状记忆合金在等径角挤压过程中,挤压力经历三个典型阶段,即挤压力急剧升高阶段、挤压力缓慢增加阶段和挤压力基本稳定阶段;等效应力场和等效应变场分布不均匀,试样在转角处等效应力达到最大值,发生剧烈剪切变形,试样内侧等效应变大于外侧;挤压力和等效应变随内转角增大而减小;随着内转角半径r的增加,挤压力和等效应变增大,试样内部变形均匀性降低;外转角半径R较小时,等效应变较大且分布较为均匀,但是等效应力值激增,对于模具使用不利。最后通过模拟结果确定最优模具参数为r=1mm和R=2mm。(3)采用120°扭转角分别在400℃、450℃和500℃下对NiTiFe形状记忆合金进行了一道次等径角挤压工艺实验,并采用OM、EBSD和TEM对挤压后试样的微观结构进行了表征。结果表明,随着挤压温度的升高,NiTiFe形状记忆合金挤压试样晶粒内部的亚结构数量减少,晶粒的细化效果减弱。在400℃挤压的NiTiFe形状记忆合金试样中,可以观察到纳米晶相。位错滑移机制是NiTiFe形状记忆合金等径角挤压塑性变形的主要机制,随着塑性应变的增加,位错密度不断增加,晶粒内部形成位错墙,逐渐形成位错胞,进而形成具有小角度晶界的亚晶。随着塑性变形继续进行,具有小角度晶界的亚晶不断吸收位错,并发生转动,最后形成大角度晶界。上述过程反复进行,晶粒不断得到细化。