中文摘要：

本课题利用高摩擦滑动变形制备表面纳米化金属，研究高应变下材料微观结构的细化极限。变形将在室温和液氮温度下进行，主要的研究材料为高纯Cu，Ni和Fe。通过磁性溅射在这些金属表面涂上一层镀膜后再摩擦变形，研究固溶原子/杂质原子对材料细化极限的影响。对于AZ31镁合金和板条马氏体钢也会进行一些研究，前者研究大应变下HCP金属中孪生的情况，后者研究高位错密度结构的失稳性。用TEM详细定量地表征高摩擦滑动变形导致的纳米级微观组织（实验的主要部分），研究微观结构与力学强度之间的联系，可建立模型解释固溶原子/杂质原子对材料细化极限的影响。变形引起的材料流动及应变梯度将采用化学法（重元素掺杂）和微观组织标记法（电沉积纳米孪晶Cu）进行研究。高摩擦滑动变形可制备晶粒尺寸在10nm级的材料，利用TEM对其原位变形观测，可研究不同微观尺度下材料的形变机理。高摩擦滑动变形对块体材料性能的改善也是研究的兴趣点之一。

结论摘要：

本课题的研究工作主要集中在开发一种在金属表面制备梯度纳米结构的方法。梯度纳米结构能够提高材料表面的性能，比如强度和耐磨性，因而受到广泛的关注。本课题开发了一种使用平面滑块进行摩擦滑动变形的方法，通过在变形时采用较大的侧向压力以及使用表面粗糙度较大的滑块，这种平面摩擦滑动变形方法能够在很短时间内制备出梯度纳米结构。课题研究了室温下商用无氧纯铜（纯度99.9%）在这种摩擦变形过程中微观结构的演变和变形后的梯度纳米结构。通过使用电子背散射衍射技术和显微硬度测量，对摩擦滑动变形纯铜的微观结构和强度进行了定量分析。分析发现，微观结构的细化程度和变形影响层的深度随着摩擦滑动距离的增大而增大。在进行了大约240 mm滑动距离的摩擦变形后，纯铜最表面15-20 μm层形成了纳米层带状结构，深一些的区域则形成了细晶结构，再往深处的区域则是常规变形结构。其中纳米层带状结构和细晶结构之间的过渡并不连续，而细晶结构和常规变形结构之间的过渡比较连续。纳米层带状结构和细晶结构的硬度分别为1.85 GPa和1.2-1.5 GPa，而摩擦表面的硬度为2.28 GPa，几乎是摩擦滑动变形前硬度的四倍。另一个并行的工作是研究纯铜在冷轧至高应变过程中微观结构的演变以及力学性能。这部分研究工作被用来估算纯铜在摩擦滑动变形过程中所产生的应变。分析发现，摩擦滑动变形后所产生的应变梯度分布与高能喷丸所产生的很相似，只不过摩擦滑动变形所需的处理时间很短，仅仅不到一分钟。对摩擦滑动变形过程中微观结构演变的分析表明，摩擦处理表面高度硬化层的产生会导致切应变向着材料更深的区域传递，从而提高了摩擦变形的效率。冷轧纯铜部分的研究结果也被用来研究摩擦变形纯铜中微观结构和力学性能之间的关系，发现无论是冷轧纯铜还是摩擦变形纯铜，都满足几乎一致的Hall-Petch关系。此外，冷轧纯铜部分的研究也检验了现有的关于塑性变形过程中微观结构分裂的理论模型对中低层错能金属的适用性。虽然本课题的工作以纯铜为例，但是可以预计本课题的摩擦滑动变形方式对用于摩擦和磨损条件中的工程材料也适用，只不过变形时需要更高强度的滑块。此外，本课题的结果说明摩擦滑动变形是一种快速并且高效的在金属表面制备梯度纳米结构的方式，因此它具有着广泛的工业应用前景。