本论文以扩大大塑性变形方法可加工的金属材料尺寸、利用大塑性变形方法实现钢铁板带材晶粒细化为目标,提出了新的大塑性变形技术,即半连续等通道挤压法。开发了相应的原型机与中试设备,确定了最优的设备条件与工艺窗口,之后以低碳钢板作为对象,分析了该方法对其组织、织构与性能的影响,验证了该方法的有效性。论文具体内容包括:(1)为了开发新的面向钢铁工业化应用的大塑性变形方法,本文首次将连续摩擦角挤压方法应用于钢铁材料加工,验证了该方法细化钢铁材料晶粒的有效性,研究了该方法的优势与问题,分析了其工业化应用的可行性,为新方法的开发提供了灵感,并打下了良好的基础。(2)由于连续摩擦角挤压方法在扩大工件尺寸时的驱动难度以及工件表面质量问题,首创了半连续等通道挤压方法,改变了传统大塑性变形法驱动工件穿过模具来完成塑性变形的模式,以驱动模具完成工件大塑性变形。这一创新能够解决加工尺寸有限、废品率高、负载需求高、生产效率低等难以工业化应用的诸多问题,特别是可以实现大长/厚比工件大塑性变形,为钢铁板带大塑性变形细化晶粒的工业化应用提供了新的方案。(3)建立了半连续等通道挤压工艺过程的三维有限元模型,用于工艺有效性验证、工艺参数优化。分别进行了不同挤压角度、不同工件尺寸、不同摩擦条件的模拟,分析了各工艺参数对材料变形的影响,确定了最佳工艺窗口。(4)设计、开发了半连续等通道挤压设备,可实现板带的步进式连续大塑性变形。通过核心功能工艺设计、力学解析,首先成功开发了实现半连续等通道挤压技术的原型机;基于原型机核心功能优化和大型化创新设计,成功开发了半连续等通道挤压中试实验机。(5)常规等通道挤压方法制备的棒状超细晶钢工件最大直径1Omm,连续摩擦角挤压等板带等通道挤压方法制备的钢铁板带材最大宽度为20mm,而本文开发的半连续等通道挤压中试实验机上可进行80-180mm宽金属板带挤压。国内外首创了 180mm宽钢铁板带材的大塑性变形,成功解决了大塑性变形技术难以制备大尺寸超细晶材料的问题,使大变形实验的工件尺寸得以大幅度扩展。(6)利用扫描电镜、透射电镜、EBSD,研究了半连续等通道挤压对低碳钢组织的影响。在不同挤压道次中组织变形主要发生在沿两通道连接的剪切面上,且材料由剪切应变产生塑性变形,挤压后的试样组织在横截面上应力保持一致。10道次后,最终的大角度晶界占总数的90%左右,同时大角度晶界的间隙减少到1μm左右,包括大角度晶界和小角度晶界的所有晶粒间隙降到0.55μm左右。(7)利用扫描电镜、EBSD,研究了半连续等通道挤压对低碳钢织构的影响,半连续等通道挤压过程中,低碳钢{111}<110>、{110}<112>织构先增强,再减弱,期间伴随着一些{112}<111>织构、{110}<111>织构以及{110}<001>织构的出现与消失。(8)利用力学性能测试,研究了半连续等通道挤压对低碳钢力学性能的影响。初始冷轧退火态的低碳钢试样经过10个道次的大塑性变形,屈服强度由81.0 MPa提升至638.7MPa,抗拉强度由264 MPa提升至710.3 MPa,总延伸率由51.7%下降至12.6%。低碳钢不同方向的性能结果显示,半连续等通道挤压后性能的各向异性并不明显。通过上述工作,本文突破了现有大塑性变形技术对工件尺寸的限制,首创并实现了一种新的板带大塑性变形方法,实现了 180mm宽钢铁板带材的多道次大塑性变形,推动了大塑性变形理论的真正工业化应用。