铝合金由于具有密度低、耐腐蚀、抗氧化等优点,已经成为使用量仅次于钢铁的重要金属材料,对国民经济发展有着重大的支撑作用。近年来,由于汽车轻量化以及航空航天发展的迫切需求,发展高比强度、高比模量的结构材料,从而实现结构的减重及材料和结构制造技术的提升已是大势所趋,这对传统熔铸铝合金提出了新的挑战。粉末热机械固结工艺可以细化晶粒尺寸,均匀微观组织,使铝合金性能进一步提升,显示出了诱人的应用前景。粉末热机械固结过程中固结工艺,固结温度以及塑性变形量对固结材料微观组织和力学性能产生重要影响。粗晶和超细晶铝合金,由于晶粒尺寸的差异导致其微观组织演变规律发生明显变化,从而影响其力学性能。然而目前为止,有关粗晶铝合金和超细晶铝合金微观组织演变规律的对比研究却鲜有报道。高能球磨是制备纳米晶粉末的重要手段,以高能球磨纳米晶粉末为原料,通过粉末热机械固结工艺可以制备出超细晶块体铝合金及其复合材料。高能球磨纳米晶粉末显微结构特征对热机械固结超细晶块体铝合金力学性能产生重要影响。铝合金粉末在高能球磨过程中,会发生晶粒细化,第二相颗粒的断裂以及溶质原子的溶解,它们之间相互作用和影响,使得高能球磨过程中显微结构演化异常复杂,对人们的理解和认识带来具大困难。热机械固结超细晶铝合金在制备过程中会引入大量晶界,位错和空位等缺陷,这些晶体学缺陷的存在使得热机械固结超细晶铝合金与粗晶铝合金相比,表现出不同析出行为,如加速的析出动力学,析出相形貌、尺寸以及析出顺序的改变等。目前为止,相关研究报道非常有限,晶粒尺寸对热机械固结铝合金析出机制的影响有待澄清。本论文研究了用颗粒压坯热挤压制备粗晶Al-7Si-0.3Mg合金过程中显微结构演化及颗粒界面结合。发现挤压过程中产生的塑性变形导致硅颗粒和Al₃FeSi颗粒的断裂并沿挤压方向分布,这对材料的塑性有很大贡献。同时,热挤压过程中的塑性变形也导致再结晶,晶粒生长以及高质量的颗粒界面结合的快速建立,颗粒之间氧化膜的有效破碎对高质量的颗粒界面结合也起到了很大的促进作用。随着挤压温度从400℃增加到500℃,α-Al基体平均晶粒尺寸从5.6微米稍稍增加到7.8微米,而材料的断裂延伸率从20.5%下降到16.6%。材料塑性的降低可能是由于,在500℃挤压时颗粒不均匀的塑性变形导致在颗粒界面区域有残余氧化膜的出现。在相同挤压温度500℃,随着挤压比从9:1增加到25:1,析出相发生粗化,导致材料机械强度下降。研究了高能球磨Al-7Si-0.3Mg合金颗粉末显微结构演变和显微硬度的变化,以及它们之间的内在联系。高能球磨导致硅颗粒内部引入高剪切应力,从而诱导硅颗粒内部塑性变形的发生;剪切力的进一步升高会促使硅颗粒内部剪切带的形成以及裂纹的形核,导致共晶硅颗粒从微米尺度细化到亚微米尺度;球磨还导致Al（Mg,Si）基体内固溶的硅元素含量从0.16%增加到1.81%,球磨30小时后Al（Mg,Si）基体晶粒尺寸减小到45纳米。基于Gibbs-Tomson方程提出,多面体硅颗粒的尖角处由于自由能较高,会优先发生硅的溶解,导致硅颗粒形状从多面体转变成圆形。球磨过程中硅颗粒的断裂导致系统自由能增加以及Al（Mg,Si）/Si界面能增加;同时,球磨过程中位错密度的增加,以及由于晶粒细化导致的亚晶和晶界总面积的增加也会导致系统自由能增加。系统自由能的增加提供额外的驱动力来促进硅颗粒的溶解。讨论了高能球磨纳米晶Al-7Si-0.3Mg合金粉末强化机制。高能球磨后粉末颗粒显微结构的变化导致其显微硬度增加到187Hv,是球磨之前颗粒显微硬度的2倍以上,各种强化机制的计算结果显示,显微硬度的提高主要归功于细晶强化,占材料强度的92%。选用真空热压和热挤压,以及放电等离子体烧结和热挤压进行对比,研究了热机械固结工艺对超细晶Al-7Si-0.3Mg合金显微结构演变的影响。研究发现,热机械变形诱导纳米晶粒的生长,动态再结晶,硅颗粒粗化以及GP区的析出。随着挤压过程中塑性变形量的增加,由于硅颗粒的流动,导致硅颗粒分布均匀性增加。同时,硅颗粒的存在会诱导“颗粒刺激形核”再结晶的发生。探索了固结工艺及挤压比对超细晶铝合金力学性能的影响规律。对于真空热压–热挤压工艺,随着挤压比从9:1增大到25:1,由于晶粒尺寸的下降以及颗粒之间结合水平提高,材料抗拉强度从320MPa升高到345MPa,断裂延伸率从3.9%升高到5.9%。使用相同的挤压比9,利用放电等离子体烧结代替真空热压作为第一步固结工艺,可以将材料拉伸强度提高2.2%,断裂延伸率提高90%。各种强化机制对材料屈服强度贡献的定量分析结果显示,细晶强化和由GP区产生的析出强化是材料的主要强化机制。通过分析粗晶和超细晶Al-7Si-0.3Mg合金析出特性,研究了晶粒尺寸对析出行为的影响。晶粒尺寸对析出速度没有明显影响,但经相同的T6热处理后,粗晶铝合金析出相为长度20-50纳米的针状β′′相;超细晶铝合金析出相为长度5-10纳米的针状β′′相和直径5纳米的圆形GP区。针状β′′相与Al基体的取向关系为:Al[110]∥β′′[010],Al（002）∥β′′（002）,Al（2^-20）∥β′′（200）,β′′相析出方向平行于Al[1^-11]方向。超细晶Al-7Si-0.3Mg经T5处理时仍展现出非常明显的析出强化行为。讨论了超细晶Al-7Si-0.3Mg合金显微结构对力学性能的影响及其热稳定性。经T6热处理后,超细晶Al-7Si-0.3Mg合金断裂延伸率从5.9%增加到10.2%,塑性明显升高,这主要归结于在固溶和时效过程中,其内部显微结构发生回复导致位错密度降低,以及铝晶粒的稍微粗化。经相同的T6热处理,超细晶样品屈服强度和抗拉强度明显高于粗晶样品,这主要是由于其较小的晶粒尺寸而导致的细晶强化。超细晶Al-7Si-0.3Mg合金良好的热稳定性,主要归功于硅颗粒和Al₃FeSi纳米颗粒对晶界的钉扎作用。