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纯铜是柔软的金属,红橙色带金属光泽、延展性好、导热性和导电性高,因此在各个领域被广泛应用。但是纯铜强度低、耐磨性差,导致其越来越无法满足当今各个领域对材料高性能的需求。传统的材料强化方式在提高材料强度的同时会导致塑性急剧降低,这使得材料综合力学性能提高并不明显,实用性很低。所以,如何使纯铜强度提高的同时塑性又不产生大幅度下降是研究的重点所在。近年来异质结构(Heterogeneous Structure)的提出为材料拥有优异的强度和塑性提供了新的研究方向。在异质结构中,软区域和硬区域(例如,小晶粒和大晶粒)混合在一起,软区域比硬区域发生更大的塑性变形,因此塑性变形梯度增加。这种塑性变形梯度的调整需要存储几何必须位错来维持,这些几何必须位错的存在有助于加工硬化,从而提高材料整体的强度和塑性。本文通过表面机械研磨(Surface Mechanical Attrition Treatment,SMAT)处理制备异质结构铜,所有样品均进行SMAT处理15 min。通过控制样品的厚度和单、双面SMAT处理工艺制备了3mm-Cu-Dual、4mm-Cu-Dual、5mm-Cu-Dual、1.5mm-Cu-Single、2mm-Cu-Single、2.5mm-Cu-Single等一系列规格的样品来研究具有不同异质结构层比例的异质结构铜的力学性能差异和同比例异质结构层下单、双面表面机械研磨处理对材料力学性能的影响。通过显微硬度测试、静态拉伸测试、包申格效应测试等一系列力学性能测试发现异质结构能大幅度提高纯铜的力学性能并保留材料良好的塑性,所有样品屈服强度与纯铜相比最高提升207.8%,最低提升141%。塑性与纯铜相比最高为纯铜的75.01%,最低为纯铜的44%。通过金相组织、扫描电镜分析、EBSD测试分析等一系列微观组织分析得到了异质结构层的微观结构与厚度以及其在拉伸过程中的断裂方式。通过宏观、微观数字图像相关性测试分析明确了异质结构铜在拉伸过程中的力学行为和应力应变分布状态。实验结果表明,异质结构铜强度提高的主要原因有细晶强化,小角度晶界强化(位错强化)和背应力引起的协调变形。异质结构铜随着异质结构层的比例下降,屈服强度和抗拉强度也随之下降并且均匀延伸率产生相应的提高。当异质结构层所占比例低于一定值时,其对材料强度贡献能力会越来越弱,并不是完全线性计算的。等异质结构层比例情况下3mm-Cu-Dual、4mm-Cu-Dual、5mm-Cu-Dual双面SMAT处理样品无论是屈服强度、抗拉强度还是均匀延伸率均优于1.5mm-Cu-Single、2mm-Cu-Single、2.5mm-Cu-Single单面SMAT处理样品。双面SMAT样品具有双层异质结构层,导致其获得更高的背应力,从而产生更高的背应力强化和背应力加工硬化来协调变形,影响材料整体的屈服强度和均匀延伸率。数字图像相关性测试发现拉伸过程中应力应变优先在异质结构层与粗晶层结合处集中,在此处大量应力集中产生异质结构的协调变形从而提高材料的力学性能。在微观层面证实了异质结构协调变形的强化机理。