粗晶金属的塑性变形由晶粒内部的位错形核与运动调节,滑移系上的位错交互导致晶粒内部形成位错网,阻碍了位错运动,进而使材料发生应变硬化。但是当晶粒尺寸小到一定程度时,比如纳米晶金属,由于晶粒内部空间有限,不会发生这种变形机制。对于纳米晶金属,位错运动和晶界调节过程都有可能被激活。位错运动包括位错在晶界的附近形核,并且由晶界向晶粒内部发射位错,然后位错会从晶粒的一侧运动到另外一侧,最后由晶界吸收。晶界调节过程包括晶界的滑移,旋转和扩散。分子动力学模拟和理论分析表明存在一个临界晶粒尺寸,小于这个临界晶粒尺寸时,塑性变形由晶界运动调节,而大于临界晶粒尺寸时,塑性变形由位错运动和晶界运动共同调节。此外,当晶粒尺寸大于临界晶粒尺寸时,应变速率会影响这两种变形机制对塑性变形的控制程度。我们希望获得在不同应变速率加载下,纳米晶材料的塑性变形能表现出很好的稳定性,因此,对纳米晶金属塑性变形行为以及变形机制的研究可以帮助我们对塑性变形有进一步的理解,这有助于改善纳米晶材料的性能以及更有效地利用纳米晶金属。本论文通过纳米压痕实验检测纳米晶Cu在室温下的蠕变行为和卸载行为,通过实验数据计算得到了应力和应变速率之间的关系,进而根据相关公式确定激活体积,位错密度,应变速率敏感度等参数与应力的关系,研究了纳米晶Cu的变形机制。本文所得的结论如下:(1)研究了常温下晶粒尺寸为25 nm的纳米晶Cu的纳米压痕蠕变行为,结果表明加载速率会对保载阶段的蠕变变形造成强烈的影响。高加载速率下,保载阶段初期的蠕变应变速率和应力的快速下降是晶界对加载阶段的存储位错的快速吸收过程。低加载速率下,加载阶段产生的位错较少,晶界滑移会优先启动,这使得保载阶段的蠕变变形主要由晶界滑移调节。通过位错吸收概率模型,同时考虑到孪晶对位错吸收的阻碍作用,分析了保载阶段的位错密度变化。在高应力下,晶界发射的位错较多,由于位错吸收概率较小导致只有一小部分位错可以被晶界吸收,位错在保载过程中得到了有效的存储,所以存储位错密度较高。然而在低应力下,晶界发射的位错较少,并且位错吸收概率较大,导致存储位错密度较小。这说明随着应力的降低,调节塑性变形的主要机制会由位错运动逐渐变为晶界滑移。(2)纳米压痕蠕变实验中,在保载的初始阶段,也就是应力大于530 MPa时,观察到Cottrell-Stokes行为,表现为激活体积随着应力的减小而增加。这是因为此时的蠕变行为主要受位错运动调节,位错钉扎点之间的距离随着应力的减小而增加,从而导致激活体积的增加。应变速率敏感度随应力的减小而减小,这说明此时的应变速率敏感度是由较高的位错密度造成的,随着位错密度的减小,应变速率敏感度逐渐变得不明显。随着蠕变过程的进行,在应力小于530 MPa时,观察到相反的Cottrell-Stokes行为,表现为激活体积随着应力的减小而减小。这是因为在低应力下晶界运动被激活,而且逐渐代替了位错运动成为主要的变形机制,这有效减小了钉扎点之间的距离,导致激活体积减小。此时应变速率敏感度随应力的减小而增加,这说明此时应变速率敏感度是由晶界滑移被激活造成的,随着晶界滑移越来越多地参与到蠕变变形过程中,应变速率敏感度逐渐变得越来越明显。(3)研究了常温下25 nm纳米晶Cu的纳米压痕卸载行为,卸载初期,应力大于550MPa时,观察到Cottrell-Stokes行为,即激活体积随应力的减小而增加。这是因为在应力较高时卸载行为主要由位错运动调节。此时应变速率敏感度随应力的减小而减小。应力小于550 MPa时,观察到相反的Cottrell-Stokes行为,表现为激活体积随着应力的减小而减小。这是因为在低应力下卸载行为主要是靠晶界运动调节。此时应变速率敏感度随应力的减小而增大。应力低于250 MPa时,随着应力的减小,激活体积基本保持不变。这是因为此时的晶粒内部基本没有位错运动,卸载行为几乎完全受晶界滑移的调节。