纳米结构金属因具有较传统粗晶材料高得多的强度,具有较好的工程应用潜力。但其加工硬化能力低、塑性差,而且由于高密度的晶界和晶体缺陷所导致的高储存能而使其微观结构的热稳定性差,这些问题严重制约了其实际应用。探讨提高纳米结构金属力学稳定性和热稳定性的途径,具有重要意义。在本论文中,设计制备了一种纳米结构Al-0.3%Cu合金,该合金以超高纯铝(99.9996%)为基体,在基体中加入质量比为0.3%的高纯度Cu(99.99%)固溶元素。目的是利用固溶元素Cu稳定纳米结构Al-0.3%Cu合金的微观组织和塑性流变,以探寻一种优化纳米结构材料的微观组织结构和力学性能的新的材料设计方法。通过98%形变量的高应变冷轧变形获得了具有纳米结构的材料,用于研究其热稳定性和力学性能。通过对冷轧和不同工艺下热处理后材料的力学行为进行系统的测试,以及利用透射电镜(TEM)和电子背散射衍射(EBSD)等方法对材料的微观组织进行的系统表征,得到如下结论:①通过室温98%的冷轧变形,获得了平行于轧面而沿轧制方向伸长的层状组织,其在垂直于轧面方向上的平均界面间距为200 nm。这些结果表明,通过加入0.3%固溶元素Cu到超高纯度的Al基体中,可以有效的抑制Al的动态回复的发生,因此形成稳定、均匀的层状结构。制得的纳米结构Al-0.3%Cu材料的屈服强度为200MPa,拉伸强度为225MPa,拉伸延伸率为6%。强度介于文献中利用叠轧制备的工业纯铝Al1050(99.5%)和Al1100(99.2%)之间,延伸率有所增加。②通过对纳米结构Al-0.3%Cu材料在大温度范围内(75-300℃)的组织热稳定性进行研究发现,在75-150oC退火1小时纳米结构Al-0.3%Cu材料组织很稳定只发生回复;在175-200℃之间退火1小时,材料发生部分再结晶,由回复的亚晶和再结晶的晶粒组成。当退火温度高于225℃时,材料在1小时内完全再结晶。③对在相同的温度范围内退火的样品的力学行为和流变稳定性进行了系统研究。纳米结构Al-0.3%Cu合金在回复阶段(<150℃退火)强度随退火温度的增加下降较快,而总延伸率变化不大。这与纳米结构工业纯Al回复退火造成的拉伸塑性急剧下降有显著的差别。在中温退火175-225?C)获得了良好的强塑匹配。而且,并没有出现纳米结构工业纯铝在中温退火条件下所出现的屈服点现象,即没有发现屈服点和Lüders带的形成。这些结果充分表明,纳米结构Al-0.3%合金中低温退火状态下具有良好的力学稳定性。④晶粒尺寸与屈服强度关系的分析表明,Al-0.3%Cu合金在完全再结晶的粗晶区的Hall-Petch斜率与文献报道的纯Al的Hall-Petch斜率相同,约为40MPa?m0.5。但回复和部分再结晶样品的Hall-Petch斜率提高到约两倍,说明除了晶界强化外,还存在其它的强化机制。TEM分析结果表明,即使在150oC退火一小时后的样品中位错密度仍然较高,说明少量的固溶元素Cu有效地抑制了位错的回复。在形变和低温退火后的Al-0.3%Cu合金中位错强化仍是重要的强化机制。但在再结晶的样品中强度主要来源于晶界强化。⑤形变与退火样品沿厚度方向存在织构梯度。形变态样品心部为Brass织构,退火过程中Brass织构向Goss织构转变,再结晶后心部形成Goss织构,认为这是由于Goss取向的再结晶晶粒在Brass取向的基体中具有长大优势所致。形变态样品边缘为轧制织构,退火过程中逐渐转变为以随机织构为主。本论文的研究结果表明,在超纯Al基体中引入少量的固溶Cu元素的方式不仅可以显著促进晶粒细化,还可以稳定退火过程中的组织演变,同时改善力学行为,去除流变失稳和屈服点现象,是一种开发具有高强度、良好力学稳定性和热稳定性纳米结构Al合金的有效途径。