针对搅拌摩擦加工实现纯钛表层的晶粒细化,本课题重点开展了搅拌摩擦加工过程中温度场、应力应变场及晶粒细化的模拟研究。课题选用工业纯钛TA2作为研究材料,首先完善了Deform-3D软件纯钛材料库,其次建立了纯钛搅拌摩擦加工的热源模型,探究了下压、预热以及前进三个加工阶段以及不同工艺参数(旋转速度、加工速度和下压量)作用下温度场、等效应力应变场的变化规律;再次,建立了CA模型,研究了跟踪点和搅拌区特征点不同状态变量(变形温度、等效应变和应变率)变化条件下纯钛搅拌摩擦加工晶粒细化过程;最后,根据有限元模拟结果,进行了实验验证。主要结论如下:(1)前进阶段,纯钛板材上表面的沿加工方向的特征点,温度均是“先上升、后维持、再下降”的变化趋势,且升温速率较降温速率高;沿垂直加工方向,距离热源越近,特征点的峰值温度出现的越早,且数值越高。分析搅拌区截面可发现,平行于加工面的搅拌中心两侧等效应力呈现双峰特征的“M”形;垂直于加工面的搅拌中心两侧应力峰值出现在前进侧,应力峰值出现特征点距离搅拌针中心约为加工区宽度的1/4,后退侧等效应力的上升梯度较前进侧的下降梯度小。(2)利用控制变量法模拟研究发现,在本课题的模拟条件下,对纯钛搅拌摩擦加工产热量的影响程度依次为:旋转速度>加工速度>下压量。等效应变最大值随旋转速度的增加而增加,但随加工速度与下压量的增加而减小。(3)基于跟踪点技术模拟研究发现,在热变形过程中,纯钛内形成了纤维状条纹;动态回复过程中纯钛内形成了亚晶结构,位错密度降低;在搅拌摩擦加工过程中,大量位错的缠结聚集导致纯钛晶粒从30μm细化至3.4μm,位错密度显著下降。基于搅拌区特征点模拟研究发现,旋转速度一定,降低加工速度,距上表面相同距离特征点处的晶粒尺寸从3.68μm细化至2.99μm,且均匀性降低;在等温度条件下,随着等效应变和应变率的增大,越靠近纯钛板材上表面,晶粒尺寸越低,且位错密度下降。在等温度和等应变率条件下,随着等效应变的增大,晶粒尺寸越细小。(4)根据模拟获得的搅拌摩擦加工参数,制备了搅拌摩擦加工纯钛表层细晶试样。研究发现,纯钛搅拌摩擦加工区截面形貌呈“V”形;纯钛加工区的晶粒呈现较好的梯度分布,沿加工区表面至材料内部的晶粒尺寸逐渐增大,与模拟结果对应性较好。