金属磁性材料可进行能量存储与转换,是国民经济与国防建设的关键基础材料之一。铁磁相的化学成分和晶体结构(内禀因素)决定了该类材料所能达到的理论性能,而晶界、畴界等缺陷(外稟因素)决定了实际的服役性能。因此,如何通过“内外兼修”使材料性能接近理论极限以及如何调控缺陷获得新的物理效应是金属磁性材料研究领域的重要科学问题。本文以目前磁性最强的稀土永磁材料——钕铁硼和具有磁场驱动变形的磁弹性材料为研究对象,围绕“局域结构与宏观性能之间的关联性”进行系统研究,探索发展高性能金属磁性材料与拓展材料功能的新途径。在掌握晶界相对烧结铰铁硼矫顽力作用规律及机理基础上,设计富重稀土的辅合金形成新晶界相,弱化主相晶粒间的短程交换耦合作用,并实现主相边界层磁硬化,制备出低成本高矫顽力磁体。Nd-Fe-B烧结磁体的实际矫顽力约为理论值的20-30%(称为Brown矛盾),这促使广大研究者去减少差距。由于2:14:1相(97 vol%)的结构和磁性能已知,晶界相(3 vol%)对矫顽力的影响巨大。因此,首先以近2:14:1计量比的低稀土含量钕铁硼磁体为研究对象,通过改变烧结制度调控晶界相化学成分、分布形态及主相晶粒尺寸,发现晶界相中稀土元素含量随烧结温度升高而增加,相应地铁元素含量随之逐渐降低,有利于降低晶界相的磁性,从而弱化主相晶粒间的短程交换耦合作用,避免反磁化畴的快速扩展;在优化的1050℃烧结,晶界相与主相润湿性良好,促进了磁体致密化,减少了晶界附近的孔洞、析出物等缺陷浓度,并形成较为连续的晶界相,有助于减少反磁化畴形核中心,从而获得了 16.4kOe的矫顽力;在临界温度以上烧结时,主相晶粒发生异常长大,导致矫顽力降低,据此发展了晶粒尺寸-矫顽力理论模型。其次,设计了低熔点Dy69Ni31辅合金重构钕铁硼磁体晶界相,发现回火温度和回火时间不仅影响Dy元素向主相边界层的扩散程度,而且对晶界相的分布形态及晶界相的晶体结构都有重要影响。通过严格控制回火工艺,使重稀土在液相烧结过程中向主相晶粒边界层扩散,提高了局域的反磁化畴形核场,仅有少量进入主相芯部,避免了整体的磁稀释效应,在显著提高的矫顽力同时保持高磁能积和高剩磁。钕铁硼晶界组织重构可以显著提高重稀土利用效率,矫顽力增幅可达6.9 kOe/Dyat.%,对发展低重稀土高矫顽力永磁材料具有重要意义。在铁磁-铁弹材料中,发现引入缺陷导致局域对称性破缺,抑制了马氏体相变,并产生了奇异特性。本文发现Fe-Mn-Ga铁磁形状记忆材料中的缺陷也可抑制一级马氏体相变,但不能抑制二级磁性转变,从而产生新的物理效应。我们选择了接近正比相(Fe2MnGa)的Fe50Mn23Ga27合金,其Mn/Ga比例偏离马氏体合金成分,由于点缺陷作用使母相平均有序度降低,形成了大量的析出了纳米四方相和形成反相畴界,因而在降温过程中不能形成长程有序的马氏体,晶体结构仅发生局域对称性破缺。纳米四方相会造成局域晶格的膨胀,产生局域的内应力,会抑制长程有序的马氏体相变,而二维的反相畴界会降低局域有序度,减慢了马氏体相变的动力学。在低温铁磁态,Fe50Mn23Ga27合金表现为半金属磁性,保持着高的电阻率,有望应用于自旋器件。在高缺陷浓度的Fe-Ga合金中发现局域马氏体相变行为,也给出了证据证明在非磁性Ga固溶进入BCC结构的Fe中产生的十倍的磁致伸缩。Fe-Ga具有强的机械性能、可锻造、高的磁致伸缩性能、低驱动场和高居里温度,有望应用于传感器、制动器等。然而,对于Fe-Ga大磁致伸缩性能的起源仍旧有很大的争议。据报道,Fe-Ga合金在Ga含量为27 at.%时,由于剪切模量的软化,使其达到磁致伸缩的峰值,暗示了预马氏体相变的趋势或者局域对称性破缺。然而,在这个体系中存在着高浓度的缺陷,会抑制自发马氏体相变。我们进一步研究发现,亚稳态条件制得的Fe72.4Ga27.6合金具有以纳米尺寸的D03相为主的BCC平均结构。经过长时间有序化热处理,D03有序度大幅提高,在低温下形成了 6M结构的局域马氏体,其晶格参数为a = 4.88A,6 = 5.85A,c=14.70A,和β=95.78°。结合磁性测量,6M局域马氏体相变具有非热弹特征。该发现表明Fe-Ga合金在Ga为27 at.%附近接近马氏体相变体系,只是缺陷浓度较高使其相变特征不易显现,但其模量软化的特性使得容易被外磁场驱动,因而产生大磁致伸缩效应。