金属材料在人类生活中扮演着不可或缺的角色，然而，它们在强度和韧性之间一直存在着固有的矛盾关系。如何克服这一瓶颈，实现金属材料强度和韧性的协同提升，成为材料领域的一个关键科学问题。因此，本文采用有限元数值模拟和实验两种方法，以深入研究微观结构与力学性能之间的密切关系，并探索能够实现材料力学性能综合提升的微观结构设计。

在有限元数值模拟方面，基于GTN本构模型，采用数学上的平面密铺方案构建了二维Cu/Ni层状结构和砖砌结构复合模型，通过精确控制模型微观几何结构、组分分布和相体积分数特性，并通过数值模拟进行了单轴拉伸和双轴拉伸的分析。研究结果显示，在层状结构中，沿着硬相带方向进行单轴拉伸时，以三角形单密铺模型为代表的结构表现出以拉伸为主导的变形。以三角形密铺模型为代表的砖砌结构发生以弯曲和拉伸（压缩）组合的变形，有助于改善材料的韧性，并同时避免了强度的显著下降。另外，随着硬质相体积分数的增加，材料的整体强度增加，但韧性降低。在双轴拉伸条件下，砖砌结构的四边形密铺方案展现出较好的整体强韧性。本文通过分析复合材料的微观结构和力学性能，为设计和优化复合材料结构提供了重要的指导。

在实验方面，本文提出了一种简单、快速的感应加热淬火方法来制备S38C钢的表面梯度结构，并揭示了其力学行为与失效机理。通过电子背散射衍射技术，对梯度结构从表面到内部的微观结构变化进行了表征，同时进行小尺寸试样的拉伸试验以验证梯度结构在不同深度下的拉伸变形行为。实验结果显示，感应加热产生的表面梯度结构显著提高了表面和亚表面区域的硬度和抗拉强度。此外，通过能量色散光谱、透射菊池衍射和透射电子显微镜对裂纹起始区域进行了详细表征，研究了梯度结构的疲劳裂纹起始机理。这些研究结果显示，梯度结构的强化效果有助于提高S38C钢的抗拉强度和疲劳性能。