上世纪八十年代末，纳米金属材料研究的先驱Gleiter教授在其名为“Nanocrystalline materials”的里程碑式的论文中指出，若能够将金属材料的晶粒尺寸减小到纳米尺度（10-9m）会使材料的各种性能得到极大的提高。这一开创性论断的提出使金属材料的研究进入了一个崭新的阶段。在过去的二十余年中，纳米晶金属材料一直是材料科学领域研究的一个热点。这主要是由于和传统的粗晶金属材料相比，纳米晶金属材料具有更高的屈服强度和断裂强度，更好的耐摩擦/磨损性能以及低温/高应变速率超塑性等优异的力学性能，从而在诸多领域具有广泛的潜在应用前景。不仅如此，纳米晶金属材料还为研究材料在微纳尺度上的变型机制提供了的理想平台。材料科学界对纳米晶金属材料的制备、微观结构、力学性能及变形机制等已开展了大量的卓有成效的研究工作。尽管如此，仍有一些根本性的问题尚未得到充分地研究和解决。首先，由于材料制备工艺的限制，以往多采用薄片状试样通过拉伸试验对纳米晶金属材料的力学行为进行研究，试验中获得的应变量极为有限。这极大地限制了对纳米晶金属材料在大塑性变形过程中结构演化和力学行为的研究。其次，对纳米晶金属材料的断裂行为和机制目前尚无清楚的认识且相关的研究结果还极为有限。特别是尽管计算机模拟和实验观察均表明微孔聚集机制是纳米晶金属材料断裂的主要机制之一，但还不清楚纳米晶尺寸和界面效应以及杂质元素的存在对微孔的形成及演化究竟有着怎样的影响。基于以上原因，本博士论文采用块体纳米晶Ni作为模型材料，综合利用MTS-810综合力学性能测试系统、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、配有二次电子背散射探头的扫描电子显微镜(SEM-EBSD)对纳米晶Ni在大塑性压缩变形过程中的微观结构演化、力学行为和断裂机制等进行了系统的研究。还结合实验观察结果，利用大规模三维计算机分子动力学模拟对压缩过程中孔洞的形成和演化进行了分析。实验中使用的纳米晶Ni采用电沉积方法制备。我们在传统Watts镀液基础上通过添加糖精、1,4-丁炔二醇及十二烷基硫酸钠等添加剂开发出一种基于直流电沉积方法制备大块体纳米晶Ni的新工艺。采用此工艺制备出的纳米晶Ni纯度达到99.5%(质量分数)，且无有明显的织构，晶粒细小，晶体学取向均匀。基于对TEM观察结果的统计分析和XRD分析得出纳米晶Ni的平均晶粒尺寸为20±6nm。镀层厚度达到了7~8mm，为进行大块纳米晶金属压缩变形研究提供了必要的试样。室温单向准静态压缩实验表明在10-5s-1至10-5s-1的应变速率范围内，纳米晶Ni都表现较高的强度(最高压缩强度为2.3~2.5GPa)和极佳的塑性(压缩应变量达到0.3~0.36)。变速率敏感指数和激活体积的计算结果表明纳米晶Ni的塑性变形是由位错机制主导的。而对变形后试样微观结构的观察进一步验证了这一点。TEM和高分辨TEM(HRTEM)观察发现了显著的晶内位错塞积和大量的部分位错协调机制开动的痕迹(堆垛层错和孪晶)，而孪晶界与位错的相互作用是实现晶内位错塞积的主要原因。这是首次在室温和单向加载条件下变形的纳米晶金属中观察到显著的晶内位错塞积现象。在变形过程中孪晶界/晶界与位错的相互作用使这些界面由变形前的平衡态转变为非平衡态。而非平衡晶界/孪晶界的形成，一方面促进了部分位错从晶界/孪晶界处发射，另一方面也使起主导作用的微观热激活过程发生了改变，从而导致在变形的不同阶段纳米晶Ni的应变速率敏感指数和激活体积也相应地发生了变化。在经过大塑性压缩变形(ε=~0.36)后的纳米晶Ni中观察到了非晶态结构的存在。非晶态结构主要集中分布于局部塑性变形较大的区域内，如裂纹和孔洞周围。HRTEM观察及能量散射谱与能量损失谱分析表明非晶态结构的形成是变形过程中发生了固态非晶化转变的结果。这是首次在面心立方结构的单质纯金属中观察到固态非晶化转变的发生。纳米晶金属材料中细小的晶粒和大量的晶界使其本身在未变形前就具有较高的自由能，而塑性变形过程中晶界和位错等变形缺陷的引入使晶态结构的自由能进一步升高直至最终高于相应的非晶态结构的自由能，导致非晶化转变的发生。两种状态间的自由能差则成为非晶态转变发生的驱动力。非晶态结构的形成很有可能是纳米晶金属材料经过大塑性变形后一种本征的结构特征。TEM和SEM观察发现大塑性压缩变形(ε=~0.3)后纳米晶Ni中出现了大量的孔洞。孔洞的尺寸从几纳米到几百纳米不等。HRTEM观察表明这些孔洞主要在晶界和三叉晶界处萌生。计算机分子动力学模拟表明孔洞的形成主要受局部应力/应变状态和杂质元素的影响。局部拉应力状态和平面应变状态会促进孔洞的形核和长大。而局部压应力状态则抑制孔洞的形成。氢作为杂质元素存在时对孔洞的形成有“催化”作用。HRTEM观察和计算机模拟都表明孔洞的长大与位错在孔洞表面的发射和吸收密切相关，但氢原子的存在使孔洞长大在一定程度上可通过空位的扩散和聚集实现。孔洞的产生与纳米晶材料中特殊的界面和尺寸效应有关。纳米晶Ni塑性变形过程中严重的应变不协调导致的应力集中，位错与晶界的相互作用及杂质元素的存在可能是导致孔洞产生的主要原因。纳米晶Ni在压缩变形过程中的断裂行为表现出一定程度的应变依赖。当变形量较小时(ε=~0.3)，试样仅沿着一个主断裂面断裂成为两个部分。TEM和SEM观察发现纳米晶Ni的断裂方式为微孔聚集型断裂，沿晶脆性断裂与滑移剪切断裂共存的混合型断裂。多种断裂机制共同作用使断裂表面呈现出多种不同的形貌。而当变形量较大时(ε=~1.2)，试样以破碎的方式失效，在压缩载荷的作用下碎裂成大小、形状各异的碎块。HRTEM观察和微区XRD (GADDS)分析发现变形过程中发生的局部固态非晶化对材料的断裂产生了显著的影响。非晶结构的形成为裂纹提供了更多的“形核点”和“快速扩展通道”，促进了裂纹的大量形成和快速传播并最终导致发生粉碎性断裂的发生。