与传统粗晶材料相比,纳米晶材料通常具有较高的强度与硬度,但是室温韧塑性却较差,这已成为限制其研究和应用的“瓶颈”。研究发现,微米晶/纳米晶双尺度结构可使纳米晶金属获得优异综合力学性能。“铝热法”作为一种先进、新颖的复相纳米晶材料的制备方法,其可制备的材料体系具有可拓展性,制备工艺和显微组织具有稳定性。“铝热法”是通过改变纳米晶金属的结构而非合金化手段去达到增强增塑的目的,强韧化后的金属成分没有发生变化,符合目前“材料素化”的研究趋势。以目前应用最广泛的304、316L奥氏体不锈钢及耐蚀性更强的2205双相不锈钢为研究案例,利用“铝热法”制备出大块体微米晶/纳米晶双尺度结构不锈钢,在室温下进行单向拉伸,选取力学性能综合较佳的试样,通过原位拉伸研究双尺度结构高强高塑不锈钢微观本征变形机理,揭示组织-力学性能之间的相互影响规律,获得不同特征尺寸晶粒所对应的多种变形机理。原位拉伸实验对深入分析双尺度结构不锈钢的力学性能和力学行为,总结归纳其蕴含的力学规律起到积极的促进作用。基于力学性能最佳的试样,建立其本构模型获得本构方程,对微米晶/纳米晶双尺度结构不锈钢实现力学性能的数值化计算,并与实验结果对比分析了存在误差的原因。本文的主要工作和获得的主要结论如下:1.对利用“铝热法”制备的不锈钢进行了拉伸力学性能测试。研究发现,微米晶+纳米晶的混晶组织是其具有强韧性的主要原因。2.以力学性能最佳的试样为研究对象,采用原位拉伸台加载扫描电镜的技术手段观察微米晶/纳米晶双尺度结构304、316L奥氏体不锈钢拉伸过程中的变形行为,裂纹尖端组织变化与裂纹扩展路径,从微观层面上对材料力学性能与组织之间的关系进行动态研究。工程应力-应变曲线中观察到的两个不同的屈服阶段,拉伸曲线上出现两种斜率的线段。试样断裂后的断口,韧窝形核位置较多,韧窝较细小且浅边界较清晰,存在两种尺度的韧窝。3.在微米晶/纳米晶双尺度结构304、316L奥氏体不锈钢的原位研究基础上,拓展到双尺度结构2205双相不锈钢(比奥氏体不锈钢需多考虑铁素体相的影响因素)的原位研究,通过研究微米晶/纳米晶双尺度结构双相不锈钢原位拉伸过程中的变形机理,进而讨论双尺度结构对双相组织与其力学性能的影响。4.将具有微米晶尺寸的塑性相嵌入到纳米级尺寸基体中这种复合结构的不锈钢材料,由于纳米晶中含有大量晶界所以具有高强度,同时由于微米晶晶粒中位错的积累,产生大量滑移带及位错运动。5.基于纳米晶材料经典Kocks-Mecking本构模型和Taylor位错强化理论,定义应力与应变之间的关系,通过研究微观变形行为与宏观应变、应力之间的内在联系,建立了双尺度纳米晶不锈钢材料的本构关系模型,采用数值计算软件Matlab进行编程求解后分别获得三种试样的工程应力-应变曲线,并分析了存在误差的原因。通过对微米晶/纳米晶双尺度复合结构不锈钢力学行为的原位研究,在宏观力学性能的基础上建立本构模型来研究组织结构与力学性能之间的关系。采用数值计算研究手段利用本构模型指导制备工艺条件调整,最终使得“铝热法”制备出的不锈钢达到预设性能。