在现代社会,制造业对社会经济发展和社会稳定有着重要的意义。随着科技的进步,制造领域对机械结构和机械零部件的使用性能和服役寿命提出了更高的要求。金属材料晶粒的平均尺寸越小,金属材料的强度、韧性越好,高性能的金属材料能够很好的提高零部件的综合性能。严重塑性变形—Severe plastic deformation(SPD)是一种通过对金属材料导入严重的塑性应变,从而细化材料晶粒的技术。当前各种SPD方法主要针对毫米级以上的宏观材料,而在微尺寸材料的SPD强化领域则少有工作涉及。鉴于此,以超声冲击和超声滚压工艺为代表,本课题系统探索了超声振动在微尺寸薄层金属中的严重塑性变形行为及机理。验证了超声SPD法在微尺寸材料严重塑变强化领域的应用潜力。具体我们得出了以下结论:第一,定点超声冲击过程的动态模拟分析表明,当冲击球底与带材表面始终接触时,试样经过短时间的塑性变形后迅速进入弹性振动平衡阶段。而当两者发生周期性分离时,超声动态冲击效应占主导地位,塑性变形始终存在。在推导运动条件和应力条件的基础上,给出了两种不同动力学行为模式的转换判据公式,即超声体积效应模式和超声动态冲击效应模式。通过超声滚压冲击的塑变实测实验,随静压力、振幅等因素的变化,发现了对应于不同动力学行为模式转换的明显突变现象,实测转变临界值与判据公式计算值相吻合,验证了该理论模型的有效性。第二,利用ABAQUS数值模拟对不同厚度的T2铜带进行了超声定点冲击和超声滚压模拟。我们发现随着铜带厚度的减小,当铜带厚度减小到超声弹塑性波的影响范围时,PEEQ的分布开始由梯度结构向均匀一体化转变。PEEQ值随薄板厚度的减小呈指数增加。模拟的塑性应变与实测的塑性应变随厚度的减小呈相似的指数递增趋势。弹塑性波的刚壁反射效应被用于解释这一现象。显然,PEEQ的指数增长和均匀化分布现象均表明超声振动在微尺寸材料的严重塑性变形强化领域具有很好的应用潜力。在尺寸效应以及超声体积效应的作用下,实验测得的应变值要大于模拟所得的应变值。第三,对经超声滚压处理的100μm、200μm铜带截面表层和中心的不同局部区域进行了 EBSD和TEM表征。EBSD结果表明超声滚压下铜带内部获得了品粒尺寸大幅减小,分布均匀的超细晶组织,与PEEQ模拟结果吻合。大塑性应变下大量小角度晶界向大角度晶界转变,是典型的原位或连续动态再结晶。TEM结果发现大量各类型的位错结构存在于IDBs和GNBs位错边界,表明再结晶过程以位错活动细晶机制为主。一些表征SPD组织达到最小晶粒尺寸的微观结构特征的发现,表明SPD过程中再结晶与回复达到了平衡,说明了超声滚压工艺应用于微尺寸铜带SPD的高效率性。