随着科学技术的发展,工业为人们提供的产品越来越多,产品的质量越来越好,功能性也越来越丰富。因此,对工业产品中应用最多的金属结构材料,尤其是钢铁材料,提出了更新和更高的要求。一方面既要求钢铁结构材料具有更高的强度和足够的韧性来满足服役过程中的承载要求,另一方面也要求其具有某些特定的功能特性,即金属材料的结构/功能一体化,例如,磁学、光学、电学、声学等方面的性能。而在实现材料的功能特性方面,复合材料具有先天性的设计和结构优势。本文选择了一种具有超高强度、低塑韧性、优异软磁特性的马氏体时效钢(C400)以及一种低强度、高塑韧性、无磁的奥氏体不锈钢(316L)为研究对象,利用自然界珍珠母贝类等生物软硬相交替分布的类“砖墙”结构或者层状结构的概念,制备一种可以最大程度规避母材组元各自缺点,具有优异力学性能的同时又能获得全新物理特性的新型多层钢铁复合材料。本文首先研究了 C400在高温下的流变行为,为后续研究复合材料制备过程中母材组元微观组织的演变奠定理论基础。其次,在Gleeble3800试验机上利用热模拟的方法研究了真空热压各工艺参数对多层复合材料界面结合的影响规律,探索复合材料制备的可行性,并成功制备出C400/316L多层复合材料的小尺寸样品。随后,采用“真空热压+轧制”的方法制备了大尺寸块体C400/316L多层复合材料,并对其力学性能、界面特征、微观组织特征、强韧化机制及磁学特性进行了分析与研究。最后,通过异步轧制工艺制备了不同厚度的C400/316L多层复合材料极薄带材,并对其力学性能、界面特征及磁学性能进行了初步的研究。论文取得的主要结果如下:(1)超高强度马氏体时效钢热变形行为研究研究了一种Fe-Co-Ni基马氏体时效钢在温度为900-1200℃,应变速率为0.001-10 s-1范围内的热变形行为。结果表明,变形温度和应变速率对超高强度C400高温下的流变应力有显著的影响。随着变形温度的升高和应变速率的降低,其流变应力显著降低。由于C400中Mo含量较高,导致热变形过程中需要较高的激活能Q,其值约为439.3 kJ/mol。在热变形过程中,C400很难发生动态再结晶,主要以动态回复亚结构组织和变形态组织为主。热加工图呈现出较大的“失稳区”和有限的热加工工艺窗口。最优的工艺窗口为1000-1100 ℃/0.001-0.1 s-1和1100-1200℃/0.001-1 s-1。此外,还获得了含有Z参数的双曲线本构方程:Z=εexp(439311/RT)=0.9916×1018[sinh(0.0069×σ)]4.808(2)多层钢铁复合材料的可行性研究探索了 C400/316L多层钢铁复合材料制备工艺的可行性。结果表明,在真空热压的过程中,高真空度是获得优异界面结合的关键因素,而适量的变形量就可以促进界面的结合,后续热处理工艺对界面结合无恶化作用。真空热压后,不同变形条件下的界面均十分清晰,保持平直,界面两侧发生了轻微的互扩散现象,并没有明显的缺陷与氧化物,且在微观尺度上形成了“咬合”结构。通过真空热压和后续热处理工艺,成功制备出硬度差异极大且界面结合良好的C400/316L多层复合材料。(3)块体多层钢铁复合材料的制备与性能研究采用“真空热压+轧制”的方法制备出5层、9层和11层C400/316L复合材料,并对其微观组织特征、力学性能及磁学特性进行了研究。结果表明,由于强界面的协调变形作用,在界面附近形成了额外的应力场,使得C400/316L多层复合材料在界面附近形成了 316L梯度纳米机械孪晶/C400梯度板条马氏体独特的双梯度纳米结构。冷轧态和固溶态的C400/316L多层复合材料具有良好的弯曲变形能力,经固溶+时效处理之后,其平均弯曲强度可达2344 MPa。若直接时效处理,因保留了冷变形强化效果,弯曲强度可提升30%以上。在裂纹扩展过程中,由于软相与界面的作用,裂纹发生偏折、桥接,甚至分层,大大地消耗了裂纹扩展的能量,延迟了裂纹的扩展过程,从而使得弯曲曲线呈现阶梯状特征。另外,冷轧态C400/316L复合材料的平均抗拉强度为1205 MPa,经固溶+时效及直接时效处理后,抗拉强度可分别提高到1374 MPa及1815～1893 MPa。但由于最外侧C400自由端萌生裂纹后,虽界面对多层复合材料的塑性有积极贡献,但与C400层过早颈缩导致的塑性降低相比,其效果不明显,最终塑性没有得到明显改善。另外,该C400/316L多层复合材料由于异质层界面、梯度纳米/微米结构界面及纳米析出相对冲击波的衰减、延迟与耗散作用,表现出了优异的抗高速冲击性能。同时,该多层复合材料也表现出了优异的软磁性能。(4)极薄多层钢铁复合材料的制备与性能研究采用异步轧制的方法制备出厚度为0.04-0.4 mm的极薄11层C400/316L复合带材。随着变形量的增加,界面由平直逐渐变为弯曲,甚至出现颈缩、紊乱的现象。冷轧态11层极薄带材的抗拉强度可以达到～1610 MPa,同时也表现出了优异的软磁特性,饱和磁化强度可达到122～158 emu/g。另外,通过热处理工艺可以有效调整其力学与磁学性能。