纳米结构金属常具有独特的物理、机械和化学性质,是目前材料科学领域的研究热点之一。金属的力学性能不仅受到内部结构的影响,如晶体取向、晶粒尺寸和孪晶层厚等,同时也受到大变形处理的影响。对于宏观块体材料,剧烈塑性变形可以提高金属的力学特性。然而,这种剧烈的塑性变形并不适合微纳米尺度金属材料。已有报道表明,对于微纳尺度金属材料,通过循环变形处理可以进一步提高纳米金属的力学特性。但是,针对不同内部结构的纳米金属,在循环变形条件下的力学特性仍然缺乏系统的研究,其相关变形机制仍然没有达成共识。本文以单晶、超细孪晶和纳米孪晶铜为研究对象,利用磁控溅射制备了超细孪晶和纳米孪晶铜,利用纳米压痕对样品进行了循环变形并测量了硬度,采用X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等方法表征了样品的微结构特征。研究了单晶、超细孪晶和纳米孪晶铜在循环变形下的力学行为,探讨了其微观塑性变形机制。主要结论如下:1.对于单晶铜,单次加载条件下,不同取向硬度大小为(111)>(110)>(100)。循环变形条件下,随着循环次数增加(步长减小),硬度保持不变,直到步长小于5 nm后,硬度才开始增加。即使三种取向单晶铜在不同压入深度时,该临界步长仍为5 nm。当步长小于5 nm时,自由表面的镜像力能够对形核产生的位错起到吸引作用并将其吸引到自由表面,降低了晶体内部位错密度,进一步的塑性变形主要依赖位错形核来完成,而位错形核需要更高的应力来完成。因此,单晶铜的循环强化机制为位错匮乏。这与我们的理论计算结果(当位错距离自由表面小于6.4 nm会被表面所吸收)基本一致。2.对于超细孪晶铜薄膜,循环变形条件下,压入深度不同,硬度随着循环次数的增加而增加。这是由于其晶粒尺寸为212 nm,孪晶层厚为15.1 nm,在具有比较高的界面密度同时具有很高的位错存储能力。在循环变形中,位错可以不断地堆积在晶界和孪晶界处,形成林位错,提高了位错运动的阻力,进而提高了薄膜的应变硬化行为。因此,循环变形中超细孪晶铜的强化机制为林位错强化。3.纳米孪晶铜薄膜的硬度随着循环次数的变化规律与单晶、超细晶孪铜都不同。在压入深度不同时,随着循环次数的增加,纳米孪晶铜的硬度先增加后减小,存在一个最大值。这是由于,其晶粒尺寸为22.4 nm,孪晶层厚为2.3 nm,在循环变形过程中,堆积在晶界和孪晶界处的位错很容易达到饱和,当位错达到饱和后,首先会在孪晶界中间形成非共格孪晶界,发生去孪晶化,然后诱导晶界滑移,降低了位错存储能力,出现软化现象。因此,纳米孪晶铜的循环硬化机制为位错与界面的反应,循环软化是去孪晶化和晶界滑移共同作用的结果。