金属结构材料的强度高则塑性、韧性低，反之亦然。高强度纳米结构金属材料具有低拉伸塑性的瓶颈。最近，提出了异构 (Heterogeneous grain structure, HGS) 的微观构筑设计概念，典型的 HGS 包括非均匀层片结构、晶粒尺寸多级构筑结构和晶粒尺寸呈梯度分布的结构等。HGS 内部的相邻区域间具有显著的力学响应差异、包括强度、塑性、加工硬化等，因而在拉伸变形时，相邻区域间的界面处就会形成应变梯度和背应力导致的加工硬化，在拉伸变形时弥补林位错硬化的不足，特别在高强度水平下，可以获得强度与韧/塑性的良好协调。中熵与高熵合金 (Medium- and High-Entropy Alloy, MEA/HEA) 是近期发展起来的一种新型结构材料体系，在低屈服强度范围 (<500 MPa) 克服了强度与韧性之间传统此消彼长的关系。本文尝试在单相面心立方 (FCC) 结构的五元 FeCoCrNiMn HEA 与三元 FeCoNi MEA 中，分别制备出不同类型的 HGS，研究其高强度下的拉伸力学响应和夏比冲击韧性，并阐明塑性变形和加工硬化的微观机理。

本文主要包括两部分研究结果。首先，针对 FeCoCrNiMn HEA，其化学成分组成为：Fe_20.15Co_20.07Cr_19.91Ni_19.23Mn_19.36 (Wt.%)。利用大应变冷轧及不同温度的部分再结晶退火，获得非均匀层片状的 HGS，研究了拉伸性能、塑性变形行为及微结构的影响机理。其次，针对 FeCoNi MEA，大晶粒化学成分组成为：Fe_35.35Co_33.08Ni_30.98 (Wt.%)；中等晶粒化学成分组成为：Fe_36.37Co_32.74Ni_30.41 (Wt.%)；小晶粒化学成分组成为：Fe_34.40Co_32.39Ni_32.53 (Wt.%)。通过热锻及高温再结晶退火得到了三种晶粒尺寸多级构筑结构的 HGS，在 77 K 至 373 K 范围内进行了夏比冲击韧性测试，研究并分析了冲击韧性 (A_K)。得出的主要结果如下：

 (1) 针对 FeCoCrNiMn HEA，通过冷轧并控制随后的部分再结晶退火工艺，获得了不同非均匀层片的 HGS。进行了准静态室温拉伸测试，并选取典型 HGS，进行了加卸载测试，应力松弛测试, 以及三维数字图像相关法 (Digital image correla-tion, DIC) 全场应变演化测试。首先，在准静态拉伸变形时，发现 HGS 屈服后产生瞬态硬化现象。其次，在加卸载变形过程中，观察到 HGS 的背应力呈现出两段上升的演化特点；相应地，背应力加工硬化率从下降转为升高，即出现了反转现象 (up-turn)。进而，在一定范围内，已发生再结晶层片的比例越大，则拉伸时产生的背应力越小，而背应力硬化能力越强。第三，在应力松弛测试过程中，发现 HGS 中由于背应力的作用，相对位错密度表现为下降、上升、然后再次下降和上升、直至达到饱和的特点。最后，在 DIC 全场应变测试中，发现 HGS 塑性开始阶段出现应变局部化特征， HGS 表现出抑制应变局部化的特点，阻止提前的颈缩断裂，且随着再结晶引入量在一定范围内增大，力学不相容界面密度也相应增加，背应力硬化能力增加，材料性能得到提高。

 (2) 利用 XRD，DSC，SEM，EBSD 和 TEM 等微观结构表征技术，针对典型的非均匀层片的 HGS，观察并研究了 FeCoCrNiMn HEA 样品拉伸前后的微结构演化。首先， XRD 衍射谱表明 HGS 拉伸前后均为单相的 FCC 晶体结构。DSC 测试表明，大应变冷轧后 HGS 的回复温度为 554 °C，再结晶温度为 757 °C，据此调控了 HGS 的部分再结晶工艺和力学性能。EBSD 微结构观察表明， HGS 随退火温度的升高，硬的超细晶层片仅发生了回复；软层片结构则发生再结晶过程，晶粒内部位错湮灭。HGS 内部由于软硬层片的交替分布，变形产生载荷的再分配，再结晶软层片承受更大的变形，变形的不协调又在软硬层片界面处产生背应力引起背应力硬化，从而强度与塑性匹配最优。其中 600 °C 再结晶时，小晶粒相比硬基体在变形期间发生显著的协调变形。利用 TEM 进一步观察了晶粒内部位错的演化过程，相比拉伸变形之前的低位错密度，拉伸后再结晶晶粒内部的位错密度显著提高，并塞积、缠结于晶界附近；同时，位错的主要组态是位错胞状。还利用 SEM 观察了拉伸断口形貌， HGS 主要表现为韧性断裂特征，出现大量尺寸不等的韧窝，观察到少量的解离面。

(3) 在 FeCoNi 中熵合金中，基于变形加工与退火工艺控制，分别获得大晶粒 (平均晶粒尺寸 d = 1968 μm)、中等晶粒 (d = 226 μm) 和小晶粒 (d = 107 μm) 三类微观组织结构。随拉伸温度 (77-373 K) 降低，三类晶粒尺寸微结构样品的屈服强度、抗拉强度和均匀拉伸塑性均提高；同时，晶粒尺寸越小，相同温度下的强度越高。有趣的是，随着测试温度 (77-373 K) 的降低，V-型缺口夏比冲击韧性 (A_K) 则基本保持不变 ，或略微降低，其中小晶粒试样的 A_K 最高，中等晶粒和大晶粒试样 A_K 相差不大。沿断裂面、特别是裂纹尖端，进行了光学显微观察和显微硬度测试，利用扫描电子显微镜进行了断口观察。分析表明，大晶粒试样在裂纹萌生前，V-型槽根部附近发生大量塑性变形、导致加工硬化，在裂纹扩展路径上观察到大的“凸起”现象，对应于断口形貌的层裂特征；裂纹的失稳扩展阶段，断口形貌为大量尺寸不等的韧窝及一定程度的准解离。在裂纹尖端，观察到最显著的加工硬化特征。