当今世界随着航空航天、武器装备和交通工具的迅猛发展,对高性能金属材料的需求日益增长,特别是对高比强纳米结构材料的需求。如何制备具有超高比强和良好的强韧性配合的纳米结构材料,已成为该领域科学家的热点研究课题之一。而表征纳米结构材料微结构和力学性能之间的关系,特别是在定量准确的数学模式下建立其关系,具有十分重要的学术价值。强烈塑性变形是制取超细／纳米结构金属材料的有效途径。其中,等通道转角挤压(equal-channel angular pressing,简称ECAP)及相关大应变技术极具工业化应用前景。本文以2024 Al为研究对象,围绕超高比强／超细晶材料制备及原理、强度提升的微结构机制、具有工业化应用前景的制备技术等科学技术问题,开展的探索性工作及取得的创新成果如下：(1)运用有限元软件研究了工艺参数(ECAP模具内侧圆弧半径、通道夹角、摩擦系数、挤压速度等)对材料ECAP变形的应力、应变大小及分布、温升等的影响规律。提出了“最大剪切应力≤材料剪切强度”这一材料ECAP变形防裂判据,为低塑性材料的ECAP加工、模具设计及预处理工艺等提供了原理指导及研究方法。提出了保证材料大应变加工效果(避免发生过时效和再结晶)的加工安全工艺参数区域的概念,为集成多种强化机制制备超高强材料提供了理论基础。(2)提出并实现了“强化固溶—强烈塑性变形(ECAP)—低温时效”这一超高强材料制备的技术路线。将2024铝合金的强化固溶、形变、沉淀等多种强化机制实现了有机结合,制备出了超高强、大延展性纳米结构材料,开辟了一条具有广阔应用前景的制备强韧化高强纳米结构铝材的新途径。屈服强度从460 MPa提升至610 MPa,而延伸率仍保持在13%左右。显微硬度以及XRD测试结果显示低温时效处理进一步提高了强化固溶态高强铝合金ECAP加工后的机械力学性能。利用强度—微结构定量关系计算发现ECAP加工变形所引入的位错对强度提升的贡献约占升高总强度的62.2%。(3)为了探索大变形材料的强度—微结构之间的定量关系,对经过时效预处理的2024 Al进行了多道次ECAP加工及后续液氮温度下的大应变压缩变形加工。研究结果显示,合金的屈服强度主要由基体大角度晶界强化、位错强化、亚晶界强化和晶格摩擦应力四部分组成,其中亚晶界强化是一个亟待深入研究的课题。液氮温度下压缩变形所引入的位错对强度贡献不大；连续的大应变加工对此类超细晶粒2024铝合金的强度和硬度不敏感,其原因为高密度的而缺陷使位错运动至(亚)晶界,从而不能形成有效的位错强度累积,导致动态回复现象的发生高强铝合金的制备必须依据合金元素在材料大应变变形过程中的析出所形成的微小沉淀相对大应变变形产生位错的钉扎作用,从而实现材料内部的高密度位错堆积。(4)提出了多对驱动轮驱动的连续ECA这一工业应用前景很好的大应变技术原型。通过仿真模拟,建立了驱动轮对数、驱动轮与工件间的摩擦系数、驱动轮转速等工艺参数对抑制工件打滑、驱动轮扭矩、能耗等的影响规律,优化了工艺参数,奠定了多对轮驱动连续ECA大应变技术的技术基础和理论依据。本文对等通道转角大应变技术制备块体纳米结构材料的过程和影响因素进行了实验和研究。本文的研究结果为超高强铝合金的制备提供了理论依据和技术途径,为新一代的高效连续ECA大应变技术奠定了技术基础。