提高金属材料强度的同时,提升塑性是材料科学界一直渴望实现的研究目标,但一般提高金属强度的因素往往会导致塑性的降低,强度和塑性间表现出倒置的矛盾关系。金属基复合材料是通过在金属基体中人为地引入刚性颗粒以同时提高材料强度和刚度的一种被广泛采用的方法,但因颗粒与基体弹性模量差异过大,不协调变形,导致界面应力集中而发生早期开裂,塑性较基体急剧降低。为了解决此种强塑性间的制约问题,本文以石墨烯/6063Al复合材料为研究对象,从屈服强化、增强体分布和取向以及界面结构三个角度进行了强韧化设计,采用片状球磨、水平烧结及垂直挤压三步粉末冶金工艺成功地制得了高强韧多层石墨烯/6063Al复合材料。系统地研究了复合材料制备过程中的微观组织演化,阐明了石墨烯对铝基体增强增韧机理,并利用原位拉伸试验揭示了复合材料的变形过程及断裂行为。设计并制备了高强韧多层石墨烯/6063Al复合材料。经理论设计,高强韧石墨烯/铝复合材料应满足以下条件:界面干净且结合良好、高含量低损伤石墨烯于晶界和晶内均匀弥散分布且定向排列。本文提出了一种新策略改善石墨烯在铝中的分布形态及界面结合,满足以上强韧化条件。制备流程包括:片状球磨、水平烧结及垂直挤压三步粉末冶金工艺。片状球磨同步实现了铝粉长达13h的片化变形及石墨烯的低损伤均匀分散,在球磨剪切力的作用下石墨烯剥离少层化,片状粉体经放电等离子体烧结水平堆垛成层状预制体和垂直片层热挤压后,近90°的大塑性变形使石墨烯进一步剥离少层化,原始团聚的石墨烯纳米片转变为均匀分散的多层石墨烯,片层厚度约为5～10nm,于晶界和晶内均匀弥散分布,且沿挤压方向准定向排列,形成织构,石墨烯平面与挤压方向的夹角约为15～34°,晶内石墨烯与铝之间存在如下取向关系:（111）Al//（0001）GNSs&[2-1-1]Al//[-12-10]GNSs。机械球磨的破碎作用及合金元素调控去掉了铝粉表面氧化膜,界面由C-Al直接结合为主,基体Mg元素与Al2O3反应生成棒状Mg Al2O4,并结合低温快速烧结避免了有害界面反应产物Al4C3的生成。研究了挤压态复合材料的显微组织及力学性能。随着石墨烯含量从0wt.%增加至1.0wt%,晶粒尺寸从912nm降为595nm,材料内部<111>丝织构强度从5.99增大到12.59。随着含量增多,复合材料的屈服强度和抗拉强度单调上升,同时具有高塑性,0.5wt.%石墨烯/铝复合材料具有最佳的强塑性匹配,屈服强度和抗拉强度较同工艺制备的铝合金提高22%和15%,分别可达280MPa和341MPa,同时,总延伸率为16.3%,略高于铝合金（14.6%）,伴有明显的颈缩现象。计算分析了复合材料屈服强度及应变硬化两阶段的强化机制。屈服强度的强化机制主要由细晶强化、位错强化、载荷传递强化以及晶内石墨烯的Orowan强化构成,当含量增加到1.0wt.%时,Orowan强化占比高达52%。应变硬化曲线拟合结果表明,林位错硬化为主要机制,晶界石墨烯和晶内石墨烯对位错累积的贡献机制不同,晶界石墨烯一方面阻碍位错运动,造成位错塞积,另一方面降低晶界扩散系数,减少晶界对刃型位错的吸收湮灭,而晶内石墨烯依靠Orowan位错环增殖提高位错密度,但会在一定程度上加大螺位错的湮灭。揭示了复合材料的变形过程和断裂行为。原位拉伸结果表明,石墨烯通过偏转、矫直、层间错排以协调基体变形,减少了界面应力集中和开裂倾向,使塑性变形延续到颈缩发生。断裂过程中,密集分布的石墨烯分散并阻隔基体中裂纹分布和连通,桥接基体裂纹的同时,承担载荷,随后发生错层滑移和逐步撕裂。石墨烯的协调变形和逐步分层撕裂提供了持久变形及桥接效应,是复合材料优异塑性和韧性的主要原因。撕裂的少层石墨烯依附于基体韧窝侧壁定向密集排列,沿受力方向伸出100nm以上,形成特殊的“蝉翼状”断口。本论文研究结果为理解石墨烯对金属基体的强韧化提供了直观实验证据,对高强韧金属基复合材料的设计和制备具有重要的指导意义。