材料在人类社会的发展过程中起着至关重要的作用。21世纪材料科学研究重点主要有两方面:一方面是使用新的方法改善传统材料的各方面性能，进一步开发研究新材料;另一方面是利用先进测试分析手段来探索具有优良性能材料的化学、物理本质，为设计材料提供理论指导。本文采用先进的电子显微学技术研究了Ti基非晶复合材料的微观结构及其变形机理和强动载冲击工业纯铁飞片自由面近表层状态及其相变机理，主要研究内容如下:　　（一）块体非晶合金具有优异的力学性能，然而室温加载时，容易发生脆性断裂，限制了其工程应用。内生增韧相非晶基复合材料是近几年发展起来的一种有效克服该缺点的方法，其中晶体相可以有效阻碍剪切带的快速扩展，并诱发产生多重剪切带，最终产生大塑性。同时由于该方法生成的晶体相和非晶基体的界面能较低，可以稳定的将两者结合在一起，因而这类材料具有更好的力学性能。目前在Ti基、Zr基、La基、Fe基、Pd基、Mg基等非晶复合材料方面都取得了一定进展。尤其在Ti基非晶复合材料方面，明显改善了非晶合金的室温塑性，屈服强度达到1.6GPa，室温塑性高达15.5％。结构特征决定性能，因此性能明显提高的同时，对高强韧材料的结构与性能之间的关系展开研究具有重要意义。本文主要以Ti47Zr19Cu5V12Be17为研究对象，对材料的微观结构及使用条件下的变形结构进行了系统研究。主要研究结论是:　　(1)对于非晶复合材料，晶体相的形态特征对性能有重要影响。本文首次使用三维重构技术，直接形象化观察到了枝晶具有连接性，呈网状结构，变形过程中，这种结构可以有效地阻挡裂纹的扩张，提高材料的韧性。　　(2)晶体相的体积分数对非晶复合材料的性能具有重要的影响。本文使用EBSD手段，精确定量分析了晶体相体积分数，为将来研究双相复合材料提供了基础数据。　　(3) Be元素对非晶复合材料的制备具有重要作用，同时也是影响其机械性能的重要元素。但是Be元素属于超轻元素，EDS由于对轻元素不敏感而无法探测到Be。本文使用STEM-EELS，首次从实验上观察并确定Be元素仅仅分布在非晶基体中，进而对非晶基体的成分进行了定量计算，确定了非晶基体内的化学成分。　　(4)复合材料的两相界面对材料性能具有重要作用，晶体/非晶界面虽然已被证明是一个结合非常强的界面，但是人们对其原子结构认识仍然不明确。本文从原子尺度上发现两相界面上没有结构过渡，晶体原子像明锐，两相界面主要由(110)台阶组成的，这样的堆垛使得界面的能量最低。两相界面上有一个宽度约20nm左右的成份过渡。　　(5)实验显示材料变形过程分三个阶段:弹-弹阶段，晶体相和非晶相都处于弹性阶段;随着应力的增加进入弹-塑阶段，非晶相持续弹性变形时晶体相首先发生塑性变形，位错在晶体相内部和两相界面处积累;塑-塑阶段，该阶段主要是晶体相通过产生{110}滑移台阶和诱发产生多重剪切带来协调两相塑性变形。　　（二）在强动载冲击下的金属材料，由于加载冲击波在金属样品自由表面反射作用，使自由表面附近一定深度范围内质点无法达到高应力状态，对于其自由表层附近的特征尺度与其经历动力学历程的关系、物理形成机制都还不清楚。对于这些问题的认识和理解，目前尚缺乏确切的实验依据和系统的基础理论研究。本文以工业纯铁为研究对象，采用不对等的铜飞片高速冲击铁进行不同压力的冲击加载，系统研究了回收样品在冲击加载下自由面近表层的特征尺度及其相变机制，主要结论如下:　　(1)以厚度为0.8mm、直径为9mm的纯铁样品为研究对象进行冲击实验，采用50ps分辨率的DPS和DISAR系统，采集到样品自由面的速度曲线，发现明显的三波结构，说明样品中发生了相变，根据数值模拟准确解析了回收样品截面上的压力分布。　　(2)首次从实验上直接观察到强动载冲击下金属样品的自由面近表层特征尺度。冲击波前沿和相变弛豫时间对自由面近表层的形成起了主要作用，即对0.8mm厚的纯铁样品，冲击压力为16.8GPa的时，近表层特征宽度为130μm左右;冲击压力为25.1GPa时，近表层特征宽度是85μm左右。　　(3)通过细致研究回收样品的微观特征，观察到了曾经发生α-Fe→ε-Fe的相变的结构特征。证明在初始α相与逆相变后αPT之间的取向关系包括沿[110]轴旋转5.3°小角晶界;孪晶面{112}夹角5.2°的{112}<111>孪晶;孪晶面{332}夹角4.2°的{332}<113>孪晶，都是曾经发生过相变的结构特征。　　(4)根据在初始α相与逆相变后αPT之间的取向关系确定了α-Fe→ε-Fe相变的相变机制为单轴压缩和原子微小调整机制。ε-Fe→α-Fe的转变机制为剪切和原子微小调整。　　(5)研究相变结构特征，有助于以后研究强动载冲击下金属样品相变含量与压力之间的关系。本文的研究结果将有助于更好地理解自由面近表层及其动力学特性，为近年发展的基于相场理论的冲击波加载相变动力学数值模拟研究提供了实验数据支持。