纳米晶金属材料是指晶粒尺寸三维均在纳米尺度的多晶体金属材料。自上世纪九十年代初纳米晶金属材料的概念被提出以来,这种全新的亚稳态金属材料一直是材料领域研究的热点之一。一方面,极为细小的纳米晶粒和高密度的界面带来的接近极限的细晶强化效果赋予纳米晶金属材料具有超高的强度,使其成为具有广阔应用潜力的新一代高性能结构金属材料。另一方面,纳米晶金属材料表现出的微纳尺度上的独特变形机制加深了人们对塑性变形本质的认识和理解。尽管材料科学界针对金属材料结构纳米化的原理与途径、纳米晶金属材料的本征力学行为以及结构-性能关系等已开展了大量的研究工作,但是在若干关键科学问题上仍存在许多研究“盲区”和空白。首先,对于纳米晶金属材料力学行为应变速率依赖性的物理本质仍不清楚。其次,对纳米晶金属材料在高应变率、强动载的极端使役条件下动态力学行为的研究尚处于起步阶段。最为重要的是,纳米晶金属材料中严重的强度与塑性之间的倒置关系,成为制约此类高强度金属材料发展的瓶颈。针对上述科学问题,本论文开展了以下研究:1)采用具有不同晶粒尺寸的纳米晶Ni及NiCo合金作为模型材料,对其在宽应变速率范围内的拉伸力学行为展开系统的研究。结果表明,晶粒尺寸越细小,材料力学性能对应变速率越敏感。对激活体积和应变速率敏感系数m值的分析表明,晶粒尺寸和应变速率耦合作用导致的材料微观变形机制的转变是产生这一现象的主要原因。基于上述研究结果,结合在相关文献资料中搜集整理的数据,我们构建了以晶粒尺寸为横坐标、应变速率为纵坐标的二维变形机理图,从而完整、系统的描绘了速率和尺寸效应协同作用下FCC结构纳米晶Ni和Ni基合金的变形行为。2)结合Hopkinson压杆高速压缩实验、透射菊池衍射分析和离散型晶体塑性有限元模拟,对具有不同晶粒尺寸和层错能的三种FCC结构纳米晶模型材料在高应变速率下的动态力学行为及微观结构和织构的演化进行了系统的研究。结果表明,纳米材料的初始晶粒尺寸以及其在冲击变形过程中的动态变化,以及应变速率的协同效应从根本上决定了微观结构和织构的演化方式与路径。而微观结构的演化则会进一步的导致材料高速变形机制的转变,并最终影响其动态力学性能。3)提出了基于结构纳米化和微纳尺度成分调控的金属材料新强韧化机理。在浓固溶体合金中通过构建纳米晶结构提高材料的强度。同时在浓固溶体本征的成分波动基础上,进一步在原子-纳米尺度调控成分分布,在纳米晶粒内部引入多尺度的成分起伏。成分起伏造成层错能的空间不均匀分布和局部晶格畸变,提高位错滑移阻力,使位错在纳米尺度上发生局部钉扎和分段滑移,从而促进位错在细小的纳米晶粒内部的反应和塞积。由此产生的应变硬化在进一步提高合金强度的同时,使其塑性变形能力也得到显著的提升。位错纳米分段钉扎这一热激活过程对应变速率高度敏感,引起应变速率硬化,使材料的塑性得到进一步的提升。我们采用脉冲电沉积方法,制备了等原子比成分的浓固溶体纳米晶Ni50Co50合金作为模型材料,对这一全新强韧化理念的有效性进行了验证:具有晶内多尺度成分起伏的纳米晶Ni50Co50合金的屈服强度达到1.6 GPa,而抗拉强度更是高达2.3 GPa,同时在超高流变应力水平上仍保持了16%的塑性应变。与传统的纳米晶金属材料相比,实现了强度和塑性的协同提升。