均质结构金属的强度和拉伸塑性/断裂韧性/动态剪切韧性之间此消彼长的关系限制了其作为结构材料的实际应用。构筑异构已被证明可以获得优异的强度和拉伸塑性匹配，原因在于额外的非均匀变形诱导硬化提高了其应变硬化能力。而材料的断裂增韧/动态剪切增韧与其应变硬化能力密切相关，因此异构金属有望在保持高强度的同时获得优异的断裂韧性和动态剪切韧性。本文通过剧烈塑性变形和合适温度退火成功将晶粒尺寸异构引入到Ni和微带诱导塑性 (Microband-induced plasticity, MBIP) 钢中。针对异构Ni和MBIP钢的拉伸性能、断裂性能、动态剪切性能和变形机制开展研究，主要结论如下：

在晶粒尺寸异构Ni的断裂韧性研究中，异构Ni在保持高屈服强度的同时，具有优异的断裂韧性。相比于屈服程度相近的均质结构，其断裂韧性提高了~103%。该结果可归因于曲折的裂纹扩展路径、非均匀变形诱导硬化以及晶粒细化诱导硬化。额外的硬化机制提高了材料整体的应变硬化能力，有利于获得更大尺寸的裂尖塑性区和塑性区内更高程度的应变硬化，使得变形过程可以消耗更多能量。相比于均质结构的脆性断裂模式，异构Ni呈现出以微孔萌生、长大、聚集为主要特征的韧性断裂模式。

在异构MBIP钢的强韧化机理研究中，制备了同时具有双相和晶粒尺寸双峰分布的异构。相比于相近屈服强度的均质结构，其均匀延伸率提升了~340%。优异的性能匹配归因于非均匀变形诱导硬化和仅在奥氏体粗晶中存在的MBIP效应，奥氏体超细晶和铁素体相中均未发现微带的形成。这表明MBIP效应具有关于晶粒尺寸和相的依赖性，减小晶粒尺寸会抑制微带的形成。

在异构MBIP钢的断裂韧性的研究中，制备了一种单相晶粒尺寸异构。相比于屈服强度相近的均质结构，其均匀延伸率提高了~380%，断裂韧性提高了~15%。其强度和断裂韧性匹配优于已报道的绝大部分先进钢。优异的断裂韧性归因于二次裂纹的产生、韧窝尺寸的双峰分布、裂纹扩展路径周围的晶粒细化、高密度几何必需位错的产生以及粗晶内微带的形成。

在异构MBIP钢的动态剪切行为研究中，异构MBIP钢获得了优异动态力学性能的匹配。相比于动态剪切屈服强度相近的均质结构，其动态剪切韧性提高了~47%。该结果可归因于更高程度的动态晶粒细化，非均匀变形诱导硬化以及奥氏体超细晶显著的应变率硬化效应。同时发现，随着应变率的上升，MBIP效应在奥氏体超细晶生效的可能性增大。