异构材料通过将软硬相相结合的方式,在实现高强度的同时拥有良好的塑性,因而获得了广泛的关注。传统强化理论不能完全解释异构所带来的强化效应。目前,普遍认为,其根本原因在于异构材料在变形过程中软硬相内应变分配不均匀,导致软硬界面处形成应变梯度,需要额外的几何必须位错（geometrically necessary dislocations,GNDs）来协调应变,从而产生额外的应变硬化,形成异变诱导强化（hetero-deformation induced strengthening,HDI strengthening）。因此,异构材料中,软硬相界面的密度、软硬相的强度差、软相的组织形貌和分布状态至关重要。此外,研究异构材料的形成过程和变形机制,对优化其力学性能有着极其重要的意义。本文选取纯Ni作为模型材料,对梯度结构Ni、异构片层结构Ni这两种异构材料进行力学性能测试和微观组织表征,系统性地研究了微观组织与力学性能之间的关系,并详细讨论了异构材料中协调变形与HDI强化之间的联系。本文的主要结论如下:（1）对粗晶Ni表面进行旋转加速喷丸（rotational accelerated shot peening,RASP）处理,得到梯度结构材料。最表层区域除了位错滑移外,形变孪生和剪切带变形被激活,形成纳米孪晶和包含纳米晶的剪切带。由于剪切带与相邻的变形组织间不容易协调变形,在两者界面处容易产生裂纹。梯度结构在拉伸过程中,芯部优先发生塑性变形,表层仍然保持弹性,随着应变增大,弹-塑性界面逐渐从芯部向表层移动。当亚表层晶粒发生颈缩时,产生的微裂纹容易与最表层裂纹融合扩展,直接越过了颈缩-塑性界面从表层向芯部移动的过程,导致样品断裂。芯部组织占比高的梯度样品延迟了弹-塑性界面从芯部向表层移动的过程,因而拉伸塑性较高。从侧面反映了表层硬相对芯部组织约束的重要性。（2）用塑性变形和后续退火处理相结合的方法来制备异构片层结构Ni,通过对微观组织进行表征来分析异构材料的形成过程。低温轧制处理的Ni中,微观组织主要是含有大量小角晶界的粗晶和剪切带;退火处理后,软相沿高角晶界、过渡带和剪切带分布形成第一种异构片层结构。等通道挤压（equal-channel angular pressing,ECAP）和低温轧制相结合处理的Ni中,微观组织主要是沿轧制方向拉长的超细晶,原始晶界和剪切带。退火处理后,软相沿原始晶界和剪切带分布形成第二种异构片层结构。微观组织分析表明,小角晶界具有良好的热稳定性,再结晶优先在高角晶界、原始晶界、剪切带等高应变的地方形核长大。可见,原始材料的微观组织和变形方式对异构材料的形成有着重要的影响。（3）对两种不同类型的异构片层结构Ni进行系统性的微观组织和力学性能研究。第一种的微观组织是层状粗晶嵌入在由高密度位错结构组成的粗晶基体中。第二种的微观组织是层状粗晶嵌入在拉长的超细晶基体中。第二种异构片层结构Ni虽然平均晶粒尺寸比第一种小,但它同时拥有高强度和高拉伸塑性。这是因为相比第一种,第二种异构片层结构的软硬界面更不容易开裂。第二种异构片层结构在拉伸变形时,颈缩区域内形成相互交错的网状微型剪切带。这是首次在异构材料中观察到微型剪切带,有力地证明了异构材料可以促使形成分散剪切带。与之相反,宏观剪切带的形成导致第一种异构片层结构快速断裂。结果表明,为避免形成裂纹和剪切带局域化,异构材料中拥有饱和晶界的超细/纳米晶作为基体是有必要的,这是优化异构材料力学性能的关键因素。