摘要
铜铝合金在航空航天导电线缆中有着举足轻重的地位，它具有质量轻、导电性好、密度小、耐腐蚀性能好等特点。在实际应用中，我们希望获得高强度的铜铝合金，这样可以在保证相同强度和体积的条件下使用更少的材料，达到减轻电缆重量的目的。同时，为了避免发生折断、断裂等破坏性事件的发生，还需要有一定的塑性。 传统剧烈塑性变形制备出来的纳米结构材料有着十分优异的强度、硬度及耐磨性能，但是由于其低塑性，它们很难应用于工程当中。低塑性主要是因为剧烈塑性变形在材料内部制造出大量细小的晶粒和高密度的晶体缺陷，这为新的位错活动及其进一步的积累留下了十分有限的空间，即缺乏应变硬化能力。为了改善这一不足，材料科研人员通常使用退火来恢复一定塑性，但这往往伴随着强度的降低，并不能拥有一个比较优异的强度-塑性的匹配。因此，我们希望设计一种理想的晶粒结构，可以达到优异的强度-塑性的匹配。这种理想的晶粒结构，应该具备以下两个特点：第一，它的内部应该有密集的位错阻碍，这样可以缩短位错的滑移路径，提高材料的强度；第二，它还需要有相对低的初始位错密度，这样可以为后期的晶体缺陷的积累提供足够的空间，从而提高材料的加工硬化能力以及塑性。 本文以三种Cu-Al合金为原始材料，铝元素含量分别为2.3at.%、7.2at.%和11.6at.%，通过等通道转角挤压、液氮轧制以及随后的退火处理制备了一种位错滑移路径短且初始位错密度低的理想超细晶结构，并研究了层错能对材料力学性能以及形变机理的影响。这种理想超细晶结构的微观结构主要特征在于，它的平均晶粒尺寸为几个微米左右，材料内含有高密度的纳米孪晶和高比例的大角度晶界，并且初始位错密度低。我们利用光学显微镜（OM）、透射电镜（TEM）以及电子背散射衍射（EBSD）对样品的微观结构进行表征，观察其形变机制及强韧化机理。通过单轴拉伸试验、显微硬度测试测量了其力学性能。主要结果如下： （1）通过等通道转角挤压以及液氮轧制将铜铝合金材料的晶粒尺寸细化至纳米尺度，并在晶体内部引入了大量纳米孪晶。通过之后的退火处理，将平均晶粒尺寸回复至几个微米左右，降低了晶粒内部的位错密度，还引入了大量退火孪晶。这种细晶晶粒+纳米孪晶的结构是一种能够同时提升材料强度和塑性的理想晶粒结构，因为大量晶界和纳米孪晶能够有效地阻碍位错的滑移，提升了材料的强度。低位错密度的再结晶晶粒内部有着足够的空间提供给之后的位错运动，因此能有效地提高材料的加工硬化能力，从而提升了材料的延展性。 （2）对于Cu-11.6at.%Al样品，经过350℃10min退火后，获得了十分优异的强度-塑性的匹配，它的屈服强度达到了475MPa，均匀延伸率为27.9%。相比其粗晶结构，它的屈服强度提升了5倍，并且均匀延伸率也十分优异，能够广泛应用于工程当中。对于Cu-2.3at.%Al和Cu-7.2at.%Al样品，它们的力学性能也有着一定的提升。 （3）通过力学性能的比较，我们发现随着层错能的降低，材料的强度-塑性的匹配有所增加。通过对比三种铜铝合金拉伸前后的透射电镜图像发现，层错能相对较高的材料（Cu-2.3at.%Al）的形变主要以位错滑移为主。随着层错能的降低，在Cu-7.2at.%Al中我们观察到一定量的孪生。对于低层错能材料（Cu-11.6.at%Al），它的形变主要以孪生为主。
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