纳米晶/超细晶材料中的高比例晶界对其力学性能有重要影响,并造成其强度与组织稳定性的倒置关系,影响着纳米晶/超细晶材料的应用。如何改善强度-韧性及强度-稳定性的倒置关系一直是纳米晶金属强韧化领域的热点问题。为此,本文借助低温搅拌摩擦加工(CFSP)技术,成功制备出具有高比例纳米晶的纳米晶/超细晶混合组织纯铜(Cu),重点研究混晶纯Cu的变形机制,组织演变行为及组织稳定性,揭示非平衡晶界在协调塑性变形中发挥的重要作用及其对组织稳定性的相关作用机制。CFSP纯Cu表现出良好力学性能,强度达到550 MPa,塑性达到25%。其变形机制主要为晶界滑移、非平衡晶界发射位错、纳米晶中晶界吸收位错及超细晶内部的位错塞积。不同能量状态的非平衡晶界对材料的力学性能有重要影响。高能态的非平衡晶界抑制晶界滑移,并促使晶界发射位错。在小晶粒中位错被晶界吸收,产生一定软化效应;在尺寸较大晶粒中晶界发射的位错在晶内产生塞积,有助于提升材料的应变硬化率。能量适当降低的非平衡晶界为晶界滑移提供条件,导致材料的强度降低;而当非平衡晶界转变为平衡晶界时,晶界滑移再次受到抑制,强度会再次提升。提出了在SPD晶粒细化中,除了晶粒尺寸与力学性能的关系外,引入的非平衡晶界的作用同样值得关注。CFSP过程中的组织细化主要通过两种方式进行:当搅拌头转速较低时,晶粒细化主要通过位错包逐渐转变为亚晶,进一步转变为大角等轴晶粒实现;而当转速较高时,晶粒细化主要通过在层状结构内部产生位错墙转变为亚晶界对层状结构的细分来实现。期间大应变导致的动态回复对晶界取向差的增大发挥着重要作用。同时,提出了低温加工时母材金属对变形金属产生拘束作用而增大应变的“硬壳”效应。CFSP过程中引入的大应变且抑制再结晶发生的过程为大比例非平衡晶界的形成创造了条件。CFSP纳米晶/超细晶Cu的组织稳定性与位错可动性有关,且晶粒粗化对纳米晶金属的力学性能产生软化效应。CFSP纳米晶/超细晶Cu在室温下长时间放置后会通过晶界迁移实现内部不均匀微应变释放,发生晶粒的异常长大。此外,拉伸变形过程中纳米晶/超细晶晶粒会发生均匀长大。低拉伸应变速率下晶界吸收位错导致扩散激活能降低,促进晶界迁移而实现晶粒长大;高拉伸应变速率下,晶界迁移受到抑制,晶界与位错相互作用使相邻晶粒合并长大。非平衡晶界通过促进孪晶形成和发射位错加速晶粒粗化。决定位错运动能力的晶体结构是影响纳米晶组织稳定性的重要因素。通过在晶界处原位析出第二相来降低初始晶界能量、钉扎晶界来降低晶界可动性,为提高纳米晶/超细晶组织稳定性提供了新的技术途径。高能态的非平衡晶界会使细晶金属的强度提升,但会降低其组织稳定性,在细晶组织制备过程中需要综合考虑晶界能对材料力学性能与组织的影响。