纳米结构材料因其独特的微观结构而具有优异的理化、力学等性能和工业应用前景,并因此成为近30年来材料领域的研究热点。随着研究的深入,近年来越来越多的注意力被转移到大块纳米结构材料的应用上,因此,纳米/超细晶结构材料的服役性能及服役稳定性至关重要。比如,冲击载荷使用环境要求纳米结构材料在高应变速率下而不被破坏,即高的冲击韧性;而文献对于超细晶结构金属材料冲击性能的研究大多仅限于获得冲击功或者冲击韧性等参数,而对冲击过程中材料强度和微观组织演变规律鲜有研究。热温度场服役则要求纳米结构材料应具有高的热稳定性,而纳米材料由于其高比例的晶格缺陷(晶界等)热稳定性较差;以往研究主要通过合金化的方法来降低晶界能量和增强晶界迁移阻力而提高热稳定性,但对于提高纯金属纳米材料的热稳定性仍面临重大挑战。纳米CuCrZr合金是目前被认为最具应用潜力的高铁接触线材料,因晶粒细化和时效处理可使CuCrZr合金同时具有较高的强度和电导性,但其微观结构机理仍有待于揭示。基于以上科学问题,本论文以面心立方结构金属Cu和CuCrZr合金为研究对象,利用室温等径角变形(ECAP)剧烈塑性变形方法制备了超细晶结构样品,进而研究了超细晶Cu的夏比冲击行为、热稳定性和微观组织演化以及影响机理,并定量计算了冲击能量诱导的温升及再结晶过程的热力学和动力学参数;探究了超细晶CuCrZr合金的高强、高导性能的热处理方法,并揭示了高强、高导电的微观结构机理。主要进展如下:(1)ECAP变形加工2道次和16道次纯Cu样品的微观晶粒组织均达到超细晶粒尺度,ECAP变形2道次样品获得了片层状亚晶粒组织(小角度晶界),片层宽度约为230nm,小角度晶界比例为89%;ECAP变形16道次样品组织细化完全,获得了分布均匀的的等轴晶粒组织,晶粒尺寸约为270nm,且等轴细晶主要由大角度晶界围成,大角晶界所占比例为55%。(2)两种超细晶纯Cu样品的夏比冲击韧性(48J/cm2)与粗晶Cu样品(55J/cm2)接近,屈服强度以及最大冲击强度均明显高于粗晶Cu。与在低应变速率变形条件下,加工硬化能力减弱,在冲击高应变速率条件下,超细晶Cu因位错得到进一步的积累而具有和粗晶Cu相近的应变硬化能力。粗晶Cu的冲击裂纹穿晶扩展,并在裂纹端部和边缘区域发生塑性变形,而两种超细晶Cu的冲击裂纹在晶界和三叉晶界处萌生并沿晶界扩展,并在主裂纹边缘和端部区域由于冲击能量产热而引发再结晶,最终导致ECAP变形2道次样品的晶粒组织细化、ECAP变形16道次样品的晶粒长大。温升模型计算也为再结晶的发生提供了有力证据。(3)显微硬度和屈服强度随退火过程的演变表明ECAP变形2道次样品比16道次样品表现出较高的热稳定性。微观组织表征发现,相对于16道次样品的再结晶参数(240℃和0.6小时),2道次样品的再结晶过程被推迟到更高的温度(295℃)和更长的时间(10小时)。热力学计算表明ECAP变形2道次样品因大比例小角晶界而具有的储存能(0.4J/g)明显低于16道次样品(0.66J/g);动力学计算则表明2道次样品由于小角晶界相对较差的移动能力而具有较高再结晶激活能(94kJ/mol,16道次样品为72kJ/mol)。(4)CuCrZr合金经过大塑性变形加时效处理(460℃+1.5小时)后,获得了良好的拉伸强度(676MPa)、电导率(73%IACS)以及热稳定性匹配;微观结构研究表明,优异的综合性能源于变形和时效处理所形成的新型多尺度组织结构:在超细晶晶粒内部形成纳米级别厚度的孪晶片层结构,在超细晶晶界上则析出纳米Cr颗粒。合金化导致层错能降低并在变形过程中促进孪生,孪晶组织在强化材料的同时基本不降低电导率;晶界处Cr的析出提高合金的热稳定性的同时提高了电导性。