大应变切削作为一种新颖的制备纳米晶／超细晶结构材料的加工工艺,它可以在特定的切削条件下通过剧烈塑性变形生产出具有高强度的纳米晶／超细晶切屑材料,同时又能够克服传统剧烈塑性变形(Severe Plastic Deformation, SPD)方法的局限性。研究表明,采用负前角刀具在较低的切削速度下可以加工出具有纳米晶／超细晶结构的高硬度切屑材料。大应变切削作为制备纳米晶／超细晶材料的加工工艺已经取得一些进展,但是对于大应变切削过程中的变形行为缺乏全面而系统的研究。1.大应变切削过程中纳米晶／超细晶切屑的细化机理和强化机制缺乏深入的研究；2.切削速度对材料的塑性流动、微观结构和力学性能具有重要的影响,但是却没有得到充分的研究；3.纳米晶／超细晶切屑产生的剪应变、微观组织和力学性能在切屑纵截面上分布的均匀性研究仍是一个空白；4.纳米晶／超细晶切屑最大的缺陷是尺寸小且形状各异,不能直接制备结构零件,必须经过热或热机械的方法将其合成为致密的具有纳米晶／超细晶结构的块体材料,因此,纳米晶／超细晶切屑的热稳定性研究对成功制备纳米结构材料具有重要的现实意义。本文详细研究了切削参数(刀具前角、切削速度和切削厚度)对切削变形区各种变量(应力、应变、应变速率和温度)、切屑微观组织(晶粒形状与大小、晶粒间的位相差和缺陷)及其力学性能的影响规律。对纳米晶／超细晶紫铜切屑的热稳定性能展开研究,为纳米晶／超细晶切屑合成为块体材料提供理论基础。论文以此主要开展以下几个方面的研究内容：(1)采用Oxley提出的金属正交切削模型分析切削加工过程中材料的变形原理及影响切屑变形的切削参数,并利用上限定理推导切削加工过程中切屑发生塑性变形力的上限解。(2)建立大负前角和钝圆半径联合作用的大应变切削模型,采用基于试验的平均摩擦系数模型利用Deform-2D有限元模拟软件分析刀具前角、切削速度和切削变形次数对切削变形区的应力、应变、应变速率和温度的影响规律,探讨大应变切削过程中纳米晶／超细晶切屑的变形原理,确定形成纳米晶／超细晶切屑的大应变切削条件。研究结果表明：刀具前角的减小和切削速度的降低,使切削力和切屑产生的等效应变相应增大,等效应变速率相应减小。虽然刀具前角相比切削速度对切屑产生的剪应变具有更加重要的影响,然而切削速度的提高引起切削温度急剧增长从而影响切屑的微观组织及其力学性能的改善,同样具有不可忽视的作用。大应变切削变形次数的增加不仅提高了切屑纵截面上的等效应变均值,并且等效应变在其纵截面上的分布更加均匀,大负前角切削时这种变化尤为显著。此外,变形次数的增加显著提高了剪切面等效应变速率均值,对等效应力和切削温度的影响却不大,这些都为形成纳米晶／超细晶切屑提供了有利的大应变、低温和高应变速率变形条件。(3)采用扫描电子显微镜(SEM)分析切削参数如刀具前角、切削速度和切削深度对切屑挤压形态的影响规律,探讨了切削参数对切屑发生剧烈塑性变形的影响能力。(4)采用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和维氏硬度测试仪从不同的尺度分析了切削加工过程中金属和合金微观组织的细化能力、切削参数(刀具前角和切削速度)对切屑微观组织演变和力学性能的影响规律,以及切屑力学性能与其微观组织(晶粒形状、尺寸和晶粒间位向差以及晶粒缺陷)之间的关系。并在此基础上探讨大应变切削过程中纳米晶／超细晶切屑的细化机理和强化机制。(5)金属和合金切屑的热稳定性受到材料变形程度、退火温度和退火时间等因素的影响。本文以紫铜为研究对象,采用扫描电子显微镜(SEM)和维氏硬度测试仪从切屑的微观组织和力学性能两个方面研究纳米晶／超细晶切屑的热稳定性与变形程度、退火温度和退火时间的关系。实验结果证实：前角为-20°的刀具加工出的紫铜切屑经过360℃退火处理后,其微观组织仍由小于1μm的晶粒组成,硬度值比本体材料的硬度仍高出77%,具有良好的热稳定性能。