先进金属结构材料的追求之一便在于实现材料的轻质、高强度以及高韧性,材料的复合化则是弥补金属基体缺点的重要手段之一。然而,通过添加增强体从而实现高强度与高刚度的同时,往往伴随着塑性和韧性的急剧降低。这种强韧性间的倒置关系严重的束缚了金属基复合材料的更广泛应用。幸运的是,大自然在百万年的进化中造就的精妙构型给予了我们方向。贝壳珍珠层独特的微-纳米层状结构赋予了其优异的综合力学性能,其抗拉强度是碳酸钙基体两倍以上,断裂韧性更是达到碳酸钙基体的约三千倍,完美的解决强韧性倒置的矛盾。镁作为最轻的纯金属结构材料,以其高比刚度、高比强度、优异的导电导热性以及良好的生物兼容性等特点,成为航空航天、汽车制造、生物医疗等领域极具前景的金属材料。然而由于密排六方的晶体结构,导致其室温下塑性极低。虽然通过复合化的方式能制备出高强度且具有特定功能性的结构-功能一体化材料,但往往会进一步加剧其本征脆性的缺点。对于此,通过模拟贝壳珍珠层的微-纳米层状结构,将有望解决上述强韧性间的矛盾。本文以石墨烯作为纳米层,以金属镁作为微米层,构建出具有微-纳米层状结构的石墨烯/镁层状复合材料,旨在实现强韧性的同时提高,并通过微观组织观察与分子动力学模拟阐明微-纳米层状结构对镁基复合材料变形过程与断裂过程的影响机制。本文针对石墨烯/镁层状复合材料的制备,探索了石墨烯的均匀分散工艺以及复合材料的致密化工艺。通过对石墨烯表面修饰引入含氧官能团,并综合考虑表面能与沸点,选择丙酮作为石墨烯分散剂,以喷射沉积的方式得到了石墨烯均匀沉积的石墨烯/镁层状基元。通过对比挤压与轧制工艺,提出以往复挤压-原位锻造工艺实现复合材料的有效致密化,并通过调整往复道次实现层状结构参数的调控,优化并得到最终的石墨烯/镁层状复合材料制备工艺,最终实现了超高的强化与韧化效率。通过OM与SEM下的原位拉伸,结合DIC技术,从宏-微观角度分析了纯镁与石墨烯/镁层状复合材料中的局域应变演化过程。从宏观上,提出石墨烯层能有效的缓解局域应变集中,并防止复合材料的提前失效。结合基于自相关函数的统计学分析,定量表征了纯镁及石墨烯/镁层状复合材料中的均匀塑性变形区域大小,并提出了应变相关距离ξ的材料本征参数。微观上,结合DIC分析与对数正态分布统计结果,提出石墨烯层的引入引起了局部的高应力状态,同时表现为局域的应变集中,这种可控的局域高应力为＜c+a＞位错滑移提供了有利条件。石墨烯层引入的宏观均匀而微观不均匀的应变状态有效的提高了镁基体的塑性变形能力。通过基于晶格曲率张量的EBSD半定量表征,测定了由石墨烯层与镁基体间晶格常数、弹性模量、以及屈服强度等不匹配引起的几何必须位错密度,并对比了纯镁、低石墨烯密度区、高石墨烯密度区的几何必须位错分布,证明了由石墨烯引起的高密度几何必须位错。通过EBSD下的准原位拉伸以及晶体滑移迹线分析,表征了纯镁及石墨烯/镁层状复合材料塑性变形过程中不同滑移系的占比,证实了石墨烯层的引入有效的促进了＜c+a＞位错的启动。由于＜c+a＞位错难启动的根源在于其自发分解,而解决手段则是＜c+a＞位错交滑移下的位错增殖,因此通过分子动力学模拟,定量研究了不同应力状态下的＜c+a＞交滑移能力势垒,并在此基础上拟合得到了不同的应力激活体积以及应力耦合参数,最后提出了复杂应力状态下＜c+a＞交滑移能量势垒的解析表达式,为镁及镁合金的材料设计提供了更多的理论依据。分析认为石墨烯/镁层状复合材料中的界面薄弱环节在于石墨烯/镁界面的简单机械结合,以及堆叠或团聚的石墨烯层之间的范德华力结合。通过分子动力学模拟,证明了氧化镁中间层对于石墨烯/镁界面的强化作用。通过对比挤压与往复挤压-锻造工艺下复合材料的断口形貌以及石墨烯厚度,证实了往复挤压-锻造工艺能有效的实现石墨烯片层的原位减薄,并减少层间石墨烯的弱结合界面,从而提高界面强度。通过分子动力学模拟,研究了连续、非连续小间隙以及非连续大间隙三种不同的石墨烯层与裂纹尖端的交互作用,并提出石墨烯通过与裂纹直接交互,能够缓解裂纹尖端应力集中并钝化裂纹。石墨烯通过与裂纹间接交互,能够改变镁基体的应力分配,从而增大裂纹扩展所需驱动力并钝化裂纹,而钝化的裂纹尖端有利于位错发射的产生,并能促进镁基体由脆性断裂向韧性断裂的转变。通过统计力学分析与断口的三维重构,提出石墨烯/镁层状复合材料中宏观的裂纹偏转并没有增加微观的裂纹扩展总路径,同时石墨烯/镁层状复合材料中裂纹偏转的韧化作用将取决于解理面表面能与石墨烯/镁界面能的比值。通过断口及周围组织形貌观察,证实了石墨烯/镁层状复合材料中存在的大量韧窝,同时提出主裂纹远端的大量微裂纹可能是层状复合材料的普遍韧化机制之一。