多晶金属材料的强韧化是材料科学、塑性力学、连续介质力学研究领域所关注的前沿科学问题。典型材料或结构的力学性能优化主要从三个方面开展：基本组分的变化；基本结构的调整；基本组分和结构的组合变化。这三种力学性能优化方法，都利用了我们熟知的科学原理:材料内部微结构的变化显著改变材料特性。这也正是钱学森先生在他的物理力学讲义中所提到的我们需要从材料的微结构层面来理解诸如强度、韧性、疲劳、断裂、腐蚀等方面的宏观力学性能。这样构筑的多级结构可克服单一结构调整可能带来的负面影响，超越单一结构下的综合性能。与此相对应，需要发展基于物理力学规律的本构模型以准确描述这些多级结构在外载荷作用下的力学响应，同时需要找到一个关键尺度来建立多级结构与其宏观性能之间的关联。　　本研究主要内容包括：⑴孪生诱导塑性变形(TWIP)钢同时具有高强度、高韧性、高应变硬化等特性，我们制备了FeMnC系的TWIP钢，开展了准静态单轴拉伸、压缩和扭转等力学性能测试。随后，我们对TWIP钢的微结构作了表征，并且通过X射线衍射实验(XRD)和电子背散射衍射(EBSD)测量了材料的织构。应用细观层次耦合了滑移/孪生变形机制的晶体塑性理论，并结合有限元方法，实现了一套率无关的晶体塑性有限元本构算法。最后，我们构建了基于VORONOI图形的多晶体计算模型，结合晶体塑性有限元，将其应用于TWIP钢塑性变形过程的仿真模拟，详细分析了在TWIP钢变形过程中织构演变、应变硬化以及滑移/孪生的竞争机制。⑵梯度结构材料同层状复合材料的本质区别在于其内部没有明显的界面，是一种非常典型的非均质材料，其组成成分、结构以及物理性能沿着某个方向或者某几个方向呈现出连续交替变化的特征。受此启发，我们首先以具有软核和硬壳两层结构的材料为研究对象，通过调整软核和硬壳的组分或者结构，深入探究了两层结构材料的韧脆转变机制。在此研究基础上通过不断的增加片层的数量，以此逼近梯度结构材料。最终基于VORONOI图形构建了梯度结构材料计算模型，深入探究了梯度结构材料的梯度效应。⑶通过采用不同的加工方式或者热处理，可得到包含有第二相的复合结构金属材料，其具有非常优异的性能，有人称之为高比强度钢(High Specific StrengthSteel，HSSS)。为了揭示为什么两相复合结构金属材料具有较为优异的力学性能，我们进行了基于经典塑性理论的仿真模拟工作，深入的阐述了两相复合结构金属材料的几何分布方式、形状等因素对其力学性能的影响。⑷为了进一步探究梯度结构金属材料中的织构演化情况以及应变硬化效应，同时为了研究梯度结构金属材料在受力变形情况下滑移系/孪生系的开动情况，在整个塑性变形过程中滑移与孪生的竞争机制，运用晶体塑性有限元对具有梯度结构的金属材料进行了仿真工作。