大塑性变形（SPD）工艺在制备超细晶（UFG）材料方面具有明显的技术优势，探索SPD工艺基础，研究其制备UFG材料的力学性能、组织结构以及演变规律，并以此为基础实现UFG材料的工业化应用具有非常重要的科学意义和工程应用前景。　　论文首先开展基于胞元模型的晶体塑性有限元分析，借此寻求最优的晶粒细化大塑性变形模式，并基于这种最优模式设计椭圆截面螺旋等通道挤压（ECSEE）模具，优化模具的型腔结构。在微观层面以晶粒为对象，开展不同加载模式下的多晶材料变形模式研究，确定合理的晶粒细化方式。在宏观层面进行模具设计，对模具的型腔结构参数进行优选。随后，从变形模式和材料因素出发，对比分析ECSEE工艺适应性，以此探索ECSEE制备UFG材料的性能演变规律及其晶粒细化机制。最后，为实现工业化应用，通过配套热处理对大变形细晶材料的晶界特征进行有效调控，实现SPD改性材料的综合性能提升。　　论文基于Voronoi方式构建了多晶几何模型，利用Python为晶粒赋予随机取向，并由此开展了三维晶粒胞元模型分析。采用晶体塑性有限元方法和归一化延性损伤模型，研究了不同加载模式下的晶粒变形应力应变分布、损伤行为、滑移系开动、织构演化等。结果表明：单轴拉伸、压缩和简单剪切变形模式的应力分布较为均匀，而扭转变形和纯剪切变形则分布不均匀。扭转变形累积剪切应变最大，简单剪切变形次之。扭转变形和纯剪切变形对滑移系开动影响最为剧烈，单轴压缩和平面压缩对滑移系影响最小。拉伸变形后，多晶纯铝表现为<111>//ND丝织构；压缩后为{110}//ND面织构；扭转后为<111>//TD丝织构；高应变平面压缩以铜型织构为主；纯剪切织构类型为铜型织构；简单剪切变形为{111}<211>（退火型）织构。基于最大程度累积塑性应变而损伤最小为原则，可以判定简单剪切变形是SPD过程中的最优细晶模式。　　简单剪切变形模式下，圆柱试样的横截面可以等效为旋转和纯剪切变形的共同作用，而其纵截面则可以等效为拉伸变形和扭转的共同作用。基于简单剪切应变等效，设计了椭圆截面螺旋等通道挤压模具，并确定了挤压模具的型腔结构及其几何参数，包括扭转角、变形段长度和椭圆长短轴之比以及这些参数之间的定量关系。采用虚拟正交试验和加权灰色关联模型，对ECSEE模具结构参数进行了优化指标的关联度分析，得到了各因素的主次顺序，然后引入灰色局势决策理论对各参数进行优选，确定了ECSEE模具结构参数的合理组合。通过对1060纯铝ECSEE变形特征和组织演化规律的试验研究，发现随变形道次的增加，材料组织变得更加均匀；再结晶体积分数随应变增加，逐步增大，而平均施密特因子则降低且分布更均衡。较少道次ECSEE变形产生了大量旋转立方织构，而多道次变形后则以铜型织构为主，旋转立方织构弱化。大变形后材料强度与其晶粒尺寸仍满足Hall-Petch关系。　　考虑外部加载方式对材料剪切大变形细晶机制的影响，研究了常见三种SPD组合变形模式，即ECAP、ECSEE和TD对材料组织和性能的影响规律。模拟和金相组织观察都表明原始粗大晶粒在剪切应力作用下，产生了应变梯度效应。对比分析发现，ECAP具有最佳细晶效果，而ECSEE具有最佳组织均匀性，TD晶粒细化效率最高。基于TEM结果，从晶界特征和晶内位错两方面研究了等轴化和机械细晶化的作用，在三种变形模式下微观组织也呈现出明显的择优取向：ECAP变形主要是Cube型织构及少量{011}<111>织构和{011}<114>织构；ECSEE主要为Cube型织构和Goss型织构，并含有少量Brass型织构；TD主要由Cube型织构和{112}<211>织构，同时还含有少量Brass型织构和P型织构组成。　　为明确材料因素对ECSEE细晶机制的影响，以初始晶粒尺寸、层错能和晶体结构三因素为对象，开展了不同变形材料的ECSEE工艺适应性研究。结果表明，较少道次变形时，初始晶粒尺寸细小的试样最终细化效果较好，但多道次变形后就差异不大。基于TEM观察结果，从几何必须边界（GNBs）和附带位错边界（IDBs）两方面揭示了初始晶粒尺寸对晶粒演化的影响，并从剪切带-亚结构-细晶组织这一过程分析了层错能对晶粒演化的影响。针对变形过程中出现的反常层错和孤立孪生现象进行研究，揭示了位错、层错和孪生之间相互作用以及对变形各阶段微观组织演变的影响。同时，通过对200℃纯镁不同道次ECSEE变形组织观察，表明较少道次变形主要以滑移和孪生为细晶方式；随着变形道次增加，则以动态再结晶为主要细化方式。　　鉴于SPD工艺制备的超细晶7050铝合金强度高而塑性差。特开展了大塑性变形7050铝合金固溶、均匀化和时效热处理过程中的组织演化、织构取向、力学性能和抗腐蚀性能研究。结果表明，经T6时效热处理7050铝合金的强度和塑性都得到有效提高，强度提升35.4%，塑性提高48.2%，但其抗腐蚀性能不及固溶和均匀化热处理好。试样大变形过程中产生的微裂纹和腐蚀过程中产生的二次裂纹会加剧腐蚀进程，并使腐蚀路径变得复杂，腐蚀痕迹也呈现“树枝状”形态。