塑性微成形技术具有加工效率高、制造成本低、构件性能和尺寸精度良好等优点,成为微细加工领域的重要研究发展方向之一,而传统金属材料存在的尺度效应,降低微型零件尺寸精度和提高性能分散性,限制其相关应用。超细晶材料由均匀的亚微米晶粒组成,为改善微成形尺度效应提供了新思路。目前,超细晶材料在塑性加工领域的应用研究尚不深入,开展超细晶材料塑性变形行为与尺寸效应研究具有十分重要的理论意义和实用价值。本文旨在研究超细晶纯铜体积微成形机理,同时拓展超细晶材料在微成形领域的应用。本文采用等通道挤压(ECAP)和高压扭转(HPT)两种工艺分别制备超细晶纯铜。在室温条件下使用内夹角为110o模具,采用Bc路径对纯铜棒料进行0-12道次等通道挤压变形,制备出平均晶粒尺寸为0.41μm、显微组织结构均匀超细晶纯铜,平均显微硬度为134 Hv。在室温下使用高压扭转设备施加载荷6 GPa、转速1 rpm,对纯铜圆片试样经过0-10转加工,制备出平均晶粒尺寸为0.25μm、显微组织结构均匀的超细晶纯铜材料,平均显微硬度为140 Hv。两种工艺制备的超细晶纯铜均具有一定的简单剪切织构。基于搭建的原位微拉伸数字图像相关测试系统,利用数字图像相关技术和准原位EBSD技术分别对超细晶和粗晶纯铜局部应变跨尺度量化研究。基于光学显微镜原位微拉伸试验,利用数字图像相关技术观察到超细晶试样变形初期形成了窄剪切带,剪切带内局部应变分布不均匀,变形区内局部应变数值呈双峰分布,而粗晶试样形成宽剪切带,应变不均匀区域的位置相对分散,其数值呈单峰分布。针对超细晶应变局域化,进行了基于电子扫描显微镜原位微拉伸观察,发现超细晶纯铜试样局部区域材料的应变不均匀性更加明显。进一步结合准原位EBSD技术对超细晶纯铜塑性变形行为进行研究,分析了超细晶纯铜显微组织变形特点,发现了剪切带诱导应变局域化,导致了室温超细晶纯铜的低延伸率。研究超细晶和粗晶纯铜的直径为2mm的微型试样的压缩变形行为,发现相对于粗晶纯铜表现出典型加工硬化行为,超细晶纯铜则显示了室温应变软化现象。并通过晶粒形貌、晶界特征以及晶内微结构等方面对比分析了超细晶纯铜和粗晶纯铜显微组织演变过程,建立了考虑晶粒转动和晶界滑移的室温应变软化模型。同时,超细晶材料微压缩变形显示了一定程度各向异性,但超细晶纯铜微压缩变形时材料流动非均匀性降低、试样表面质量得到有效改善且内部保留了超细晶结构,为高质量微型零件制备奠定了实验基础。结合数字图像相关技术、X射线同步辐射技术等对超细晶纯铜和粗晶纯铜断裂行为展开了系统研究,分析了超细晶纯铜剪切断裂和粗晶塑性断裂不同断裂方式。利用数字图像相关技术表征了超细晶纯铜试样表面裂纹的演变与局部应变的关系,发现了表面裂纹的形成受到剪切应力的影响。利用X射线同步辐射技术实现了对超细晶纯铜试样无损伤且三维可视化量化研究,显示了孔洞扩展和合并多数沿着与拉伸轴呈55o,建立了超细晶纯铜剪切织构诱导断裂机制模型。同时,证实了孔洞含量随着晶粒的增大而减少,明确了超细晶纯铜微拉伸过程中孔洞密度随着应变的增加呈现指数式的增长关系。阐述了金属材料微成形的尺寸效应机理,基于此,利用线切割技术制备了尺寸为0.5 mm-2 mm的微型压缩试样,研究了纯铜材料的晶粒尺寸和试样尺寸的尺寸效应,证实了超细晶纯铜介观尺度无明显流动应力试样尺度效应,为超细晶材料在介观尺度塑性微成形中应用提供了理论支撑。利用聚焦离子束技术制备了尺寸为1μm-12μm的微小压缩试样,研究了超细晶材料微观尺度微压缩变形行为,发现了超细晶材料屈服应力在微观尺度的“越小越弱”规律,晶粒尺寸为0.28μm时试样尺寸与晶粒尺寸之比临界值为~17,并基于表面层理论,建立了考虑晶界滑移变形机制的屈服应力和试样尺寸与晶粒尺寸之比的关系。应用超细晶纯铜材料制备微型齿轮件。首先利用阵列微通道试验对超细晶和粗晶纯铜材料填充性能进行初步评价,发现两者均表现出良好的填充效果,然而填充相同高度时,超细晶纯铜所需的载荷较大,但填充后超细晶纯铜阵列表面质量好,硬度高且稳定。在此基础上,结合有限元模拟微型齿轮的填充行为,研究了加载程度、晶粒大小与加载方式等试验参数对微型齿轮填充的影响规律,最终制备出轮廓精度较高的超细晶纯铜微型齿轮,其耐磨损性能明显优于粗晶微型齿轮,平均纳米硬度值高达1.67 GPa。该结果验证了超细晶材料在微成形领域潜在应用价值。