近年来,铜箔等金属箔材在电子工业、微机电系统、医疗以及新能源领域中的应用日渐广泛,这同时对极薄带材成形提出了更高要求。这些小尺度材料及其结构的几何尺寸已经降低到了和材料内部微观结构(晶粒)同一量级。由于晶粒产生的约束,使得其变形行为表现出明显的尺度相关性。多晶体金属变形过程在很大程度上受其内部状态影响,例如晶粒形态和取向等。但由于存在微尺度效应,经典材料本构理论及其相关计算方法不能直接应用于指导和表征小尺度材料的塑性变形行为,通过数值模拟可以得到更多实验手段所无法获得的信息。晶体塑性理论将材料的微观结构特征引入到小尺度材料成形过程数值模拟的本构框架内,由晶粒的细观响应得出材料的微观塑性变形行为。同时晶体塑性力学本构关系将金属的塑性变形归结为位错运动和晶格旋转,与传统各向同性本构关系相比,其更接近于金属塑性变形的物理本质。本文以晶体塑性有限元模拟为手段,采用理论分析、数值模拟与实验验证相结合的方法,从细观尺度研究微米级极薄带轧制变形行为的影响因素(晶粒取向、晶粒结构、晶粒尺度上的非均匀塑性变形、滑移状态等),探讨尺寸微小化引起的极薄带轧制微尺度效应问题。主要研究工作如下:1.通过对大型有限元软件ABAQUS进行二次开发,将Bassani-Wu的流变硬化方程引入到晶体塑性有限元模型中,实现极薄带轧制过程的晶体塑性有限元模拟。利用所开发的晶体塑性有限元模型模拟了纯铜箔单向拉伸变形,通过拟合实验所得的应力-应变曲线确定了材料本构模型中的未知参数。通过对不同极薄带轧制变形工况的模拟以及与实验结果的对比表明,所开发的模型可用于晶体塑性有限元模拟。2.基于Voronoi多面体方法建立了多晶体结构以及与其相应的有限元网格划分算法。该算法可方便地生成多种晶粒形貌并按照所提供的网格参数进行有限元网格自动划分。采用欧拉空间剖分法为多晶体赋予随机晶粒取向或某一典型织构占优的晶粒取向。采用ABAQUS输入文件INP方法在ABAQUS/CAE中建立了多晶体极薄带轧制的有限元模型。3.为了分析单层晶极薄带轧制塑性变形行为,建立了面心立方(FCC)单层晶极薄带轧制的有限元模型,各个晶粒分别赋予不同的取向,采用晶粒之间的取向差模拟晶界约束,通过晶粒取向、轧制工艺参数以及织构类型对单层晶极薄带轧制变形行为的影响进行了系统的研究。结果表明,晶粒取向、轧制工艺参数以及启动滑移系的运动状态是影响晶粒内部和晶粒间不均匀变形以及塑性变形的重要因素;采用晶体塑性有限元模型能从细观尺度很好地描述单层晶极薄带轧制过程中塑性变形的演化规律,建立起单层晶极薄带的微观结构特性和其塑性变形行为之间的联系:即滑移系优先在晶界和晶粒表层附近被激活,然后进一步变形向晶内滑移扩展;晶粒取向和织构类型的不同使得晶粒内部各区域启动滑移系不同,引起晶粒尺度上的不均匀变形,这种不均匀变形导致轧辊和轧件之间接触特性的改变。4.用2D多晶体塑性有限元模型系统地研究和分析了厚度尺寸对多晶体极薄带轧制变形行为的影响。结果表明,对于单层晶极薄带,随厚度的减小,晶粒表层作用区域增大,晶内剪切变形由形成多条与轧制方向平行的窄滑移带向形成贯穿晶粒的滑移带转变,即呈现出越薄越易滑移的微尺度效应。这种尺度相关行为主要来源于晶粒表层作用区域大小。对于多层晶极薄带,随厚度的减小,轧制力和应力分布对晶粒取向的依赖增大,且轧制力波动也大大增加,累积塑性滑移逐渐从内部晶粒晶界向表层晶粒转移,即呈现出越薄表层晶粒越易滑移。通过对极薄带内部滑移系启动和运动状态进行分析发现,表层晶粒软化效应是触发这个尺度相关性行为的主要原因。5.为分析极薄带轧制过程中的统计晶粒尺寸效应,研究了晶粒尺寸对多晶体铜箔轧制变形行为的影响及内在机理。结果表明:对于单层晶铜箔,随相邻垂直晶界距离的减小,应力集中逐渐从晶界向晶内转移,晶内剪切变形由形成贯穿整个晶粒厚度的剪切带向形成多条与轧制方向平行的窄剪切带转变,即相邻垂直晶界距离越大越易滑移。这种不同的尺度相关行为主要来源于变形区内晶界个数以及晶界和晶粒表层作用区域大小。对于多层晶铜箔,增加厚度方向的晶粒数目,导致轧制力增大,取向变化对轧制力和应力分布的影响降低,且轧制力波动也随之降低;表层晶粒取向的旋转角度和极点分散度大于内部晶粒;随晶粒尺寸的减小,滑移能扩展到表层晶粒整个晶粒范围的滑移系个数基本不变,而扩展到内部晶粒整个晶粒范围的滑移系个数增多。这种尺度相关行为是由晶粒尺寸减小,晶界作用区域增大造成的。采用多晶体塑性有限元模型能很好地描述晶粒结构和晶界作用区域的影响,通过滑移系启动与运动特性来解释微尺度效应产生的细观机制和特点。