题目：多重纳米结构超高强铝合金及其复合材料的制备和研究

    铝合金由于其比强度高、比刚度大、耐蚀性好等特点而在航空航天、汽车、电子工业等领域得到了广泛的应用。近年来，随着科学技术的发展以及日益紧缺的能源现状，对铝合金的力学性能提出了更高的要求。目前，常规超高强铝合金的最高强度只有500MPa左右，说明传统的强化机制对强度提升的空间已经十分有限。细晶强化是提高铝合金强度的又一重要途径，然而普通超细晶或纳米晶材料的塑性很差，不具备应用价值。因此如何通过结构设计，有效整合多尺度特征结构所对应的多种强韧化机制，是获得优异的综合力学性能的崭新思路。本文通过粉末冶金及后续热机械处理的办法，成功的将铝合金的晶粒尺寸、析出相尺寸、弥散第二相尺寸等显微结构细化至纳米或亚微米级别，获得了包含多重纳米结构的超高强韧铝合金及其复合材料，并对其显微结构和力学性能进行了研究。

    研究了高能球磨和放电等离子烧结对2024Al合金粉末和块体材料的显微结构和力学性能的影响。研究表明，高能球磨可以显著细化粉末颗粒内部的晶粒尺寸，球磨20小时2024Al合金粉末的晶粒尺寸为50nm左右。烧结过程中，晶粒尺寸显著粗化，由球磨20小时合金粉末烧结所得块体材料的晶粒尺寸达到了1.14μm。室温拉伸测试表明，高能球磨能提高块体材料的拉伸强度，但是球磨过程中引入的杂质等缺陷降低了粉末的结合强度，导致块体材料的拉伸塑性显著降低。

    研究了后续热机械处理对块体2024Al合金显微结构和力学性能的影响，并据此成功制备了包含多重纳米结构的高强高韧2024Al合金。研究表明，固溶处理能改善粉末颗粒之间的界面结合能力，同时提高烧结态材料的强度和塑性。室温冷轧后样品的晶粒尺寸被成功细化到超细晶范畴，样品的强度获得显著提高，但是拉伸塑性显著降低。时效处理能获得弥散分布的纳米尺寸析出相，使冷轧态样品重获加工硬化能力，并且合适的时效条件能同时提高材料的强度和塑性。此外，定量的强化机制分析表明，细化的晶粒尺寸，合适的位错密度以及高密度的纳米析出相是材料获得高强度和大拉伸塑性的主要因素。

    研究了弥散第二相陶瓷颗粒(B4C)的体积分数对B4C/2024Al块体复合材料显微结构和力学性能的影响，并据此制备了包含多重纳米结构的B4C/2024Al块体复合材料。研究表明，B4C颗粒的引入能加快铝合金晶粒尺寸的细化速度；随着B4C颗粒体积分数的提高，块体复合材料的强度先升高后下降。结合块体复合材料的显微结构特征，建立了包含增强相区、基体塑性变形区、基体弹性变形区在内的显微结构模型。此外，以B4C颗粒体积分数为20%的块体复合材料为例，定量讨论了不同强化机制对不同区域的强化效果，并对材料的整体强度进行了预测拟合，获得了与实测强度较好的匹配。

    探索了粗晶2024Al合金粉末的体积分数对B4C/2024Al块体复合材料显微结构和力学性能的影响，并据此制备了力学性能可控的跨尺度结构B4C/2024Al块体复合材料。研究表明，粗晶2024Al合金的引入能显著降低块体复合材料的裂纹敏感性，优化块体复合材料的综合力学性能。当粗晶2024Al合金粉末的体积分数较低时，块体材料的变形仍由复合结构区域控制，在压缩测试时能获得高强度，但是没有宏观塑性变形。当粗晶2024Al合金粉末的体积分数达到50%时，粗晶区域相互贯穿，形成三维网络结构，此时块体材料获得了强度和塑性的较好匹配。