铜及其合金在工业上有着广泛的应用,随着工业技术的进步,人们对铜材料的综合性能提出了更高的要求,尤其是很多应用都要求铜合金具有更高的强度。但是目前基于固溶时效强化以及第二相颗粒强化等强化机制设计的铜材料,其强度仍难以满足工业的需求。如何进一步提高铜材料的强度,并保持其优异的塑性和导电率,便成了制备新型高性能铜材料的难点。综合分析固溶强化、位错强化、晶界强化以及第二相颗粒强化等机制对强度、塑性和导电率的影响,本研究将晶界强化和碳化铌第二相颗粒强化结合起来,成功制备了晶粒尺寸在100 nm左右,纳米颗粒尺寸在10 nm左右的纳米晶Cu-NbC复合材料,进一步提高了铜基复合材料的强度,并保持了优异的综合性能。该纳米晶铜基复合材料采用粉末冶金法制备,首先利用高能球磨制备纳米晶粉末,然后将粉末冷压成坯,再将压坯真空烧结,最终通过热挤压成型。同时,本研究深入探究了该纳米晶复合材料的显微组织在制备过程的演变及其对性能的影响。在球磨过程中,Cu-5wt.%Nb-1wt.%SA复合材料粉末的晶粒尺寸随着球磨时间的增加而减小,位错密度随着球磨时间的增加而增加,球磨36 h后,两者都不再发生明显变化。但是铁含量随着球磨时间的增加而不断上升,据此确定了球磨36 h为合适的球磨时间。球磨后的粉末中并未观测到NbC,只有在700℃以上的高温下热处理后,粉末中才能观测到NbC。热处理后生成的NbC具有很高的热稳定性,其在700℃热处理后尺寸为8 nm,在1000℃热处理1 h后仅仅长大至21 nm。这种高度稳定的NbC对基体晶粒的长大有着强烈的抑制作用,使得基体的晶粒在热处理温度低于800℃时基本不发生长大。高度热稳定的纳米晶CuNbC复合材料具有很高的显微硬度,且其硬度在热处理温度低于700℃时,随着热处理温度的上升而提高,从球磨态的2128 MPa上升到2665 MPa。块体纳米晶Cu-NbC复合材料具有优异的综合性能,例如成分为Cu-6.4vol.%NbC的块体纳米晶复合材料的抗拉强度高达868 MPa,断裂延伸率为6%,导电率为56%IACS。在这些纳米晶复合材料中,NbC纳米颗粒的尺寸在10 nm左右,在热加工过程中其尺寸基本不发生变化;而基体的晶粒尺寸和位错密度在挤压前后只发生微小的变化,挤压后的晶粒尺寸在100 nm左右。由于NbC对基体的稳定作用非常强烈,NbC体积含量的变化对基体的晶粒尺寸,位错密度,以及NbC自身的尺寸影响不大。导致在NbC体积分数较低时,提高其体积分数能明显提高块体的强度,但是当其体积分数比较高时,提高其体积分数并不会进一步提高材料的强度。而在该纳米晶复合材料的变形过程中,主要发生晶粒的扭转和晶界的迁移,同时在晶粒内部发生孪晶界的迁移和位错的运动。对于导电率的降低,纳米晶基体对导电率的影响相对较小,而NbC的含量和尺寸的变化对导电率的影响较为显著。在长时间的高温热处理过程中,纳米晶Cu-NbC复合材料保持了很高的结构热稳定性。其中NbC纳米颗粒的高热稳定性,可以归因于C和Nb在Cu中的固溶度非常低,导致NbC通过Ostwald熟化机制的长大速率较低;同时NbC纳米颗粒在长大的过程会从球形变成方形,并与Cu基体形成立方体-立方体的共格关系,这种共格关系使得NbC的长大速率大大降低。而热稳定的NbC纳米颗粒将钉扎Cu晶界从而抑制Cu晶粒的长大,同时Cu基体的再结晶也起到了稳定Cu基体晶粒尺寸的作用。经过热处理后,Cu基体晶粒尺寸和NbC纳米颗粒尺寸发生小幅长大,导致强度的下降和导电率的上升,但是塑性没有明显的变化。在高温轧制的过程中,晶粒变形和晶粒长大共同影响晶粒的形状和纳米颗粒的分布。在800℃轧制时,晶粒变形起主要作用,晶粒呈拉长状,纳米颗粒沿着晶界呈带状分布;在1000℃轧制时,晶粒长大起主要作用,晶粒呈等轴状,纳米颗粒分布较为均匀。随着轧制温度的提高,NbC纳米颗粒的尺寸略有长大,经过800℃和1000℃轧制后的尺寸分别为8.7 nm和13.9 nm;同时,晶粒也会长大并具有明显的方向性。在800℃轧制后,晶粒尺寸在垂直轧制方向上有明显长大,而在1000℃轧制后,沿挤压方向和垂直轧制方向的晶粒长大均较为明显。说明高温应力状态对晶粒长大具有显著影响。经过高温轧制变形后,材料的强度和导电率均降低。