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近年来,块体纳米结构金属制备工艺研究已取得显著进展,针对其力学性能的研究也在逐渐完善。已有结果表明纳米结构金属具有良好的强度、硬度和耐磨性等性能。然而,有关块体纳米结构金属断裂韧性和断裂机理的研究尚处于初级阶段。为此本工作采用室温等径角变形（equal channel angular pressing,ECAP）技术制备得到块状超细晶纯Cu,利用弹塑性断裂力学方法系统研究其断裂行为和断裂机理。同时,本工作还利用冷轧+退火工艺制备具有优异力学性能的异质纳米结构316L不锈钢,重点关注异构组织对316L不锈钢断裂韧性和韧化机制的影响。主要研究进展包括:（1）本工作提出了一种利用小型试样测量纳米结构金属断裂韧性的方法,搭建了基于数字图像相关技术的非接触式测量系统。利用该系统可以精确测量小型试样的加载线位移,并计算裂纹长度和J-R阻力曲线。通过在小型试样侧面加入侧槽,可以抑制裂纹隧穿（crack tunneling）效应,准确测量纳米结构金属的断裂韧性。（2）超细晶Cu的断裂韧性各向异性比拉伸性能各向异性更加明显,断裂韧性受裂纹扩展方向的影响大于受裂纹面方向的影响。裂纹沿ECAP最后一道次的TD（tangential direction,TD）扩展时,裂纹尖端产生明显塑性变形,同时裂纹路径发生偏折,导致裂纹沿TD的扩展阻力大于ND（normal direction,ND）和ED（extrusion direction,ED）。（3）超细晶Cu的断裂韧性各向异性受控于材料中的晶粒伸长面（grain elongation plane,GEP）。剧烈塑性变形使超细晶Cu中的微观缺陷沿GEP分布,成为塑性断裂过程中微孔形核和长大的优先位置,裂纹更容易沿GEP扩展,该平面也是本工作测试的各个取向中断裂阻力最低的平面。当裂纹面与GEP的夹角增大,裂纹路径曲折和局部塑性变形程度也随之上升,使裂纹尖端的断裂驱动力下降,裂纹扩展阻力上升。研究还发现,超细晶Cu的塑性断裂取决于空位的扩散和聚集过程。低温（-150℃）环境中,超细晶Cu沿晶界的长程空位扩散被抑制,与空位聚集有关的微孔形核-长大能力减弱,加剧了裂纹尖端钝化。在-150℃环境中,超细晶Cu的临界断裂韧性KIC=78 MPa m1/2,相比25℃时(KIC=54 MPa m1/2)有明显提高。（4）使用压下量为87%的冷轧工艺,制备含有纳米晶/超细晶和纳米孪晶的异质结构316L不锈钢。轧制后异质片层316L不锈钢的KIC=113 MPa m1/2,其良好的断裂韧性来源于奥氏体和马氏体之间脆弱界面发生的分层断裂。在750℃对冷轧后样品退火5-25分钟后,得到再结晶晶粒,纳米晶/超细晶和纳米孪晶的混合结构316L不锈钢。退火25min时,316L不锈钢的屈服强度为1043 MPa,均匀延伸率为12.4%,表现出良好的强度-延展性匹配。尽管退火样品的分层韧化随退火时间的增加而被抑制,塑性断裂和应变诱发马氏体相变提供了韧化效应,使316L不锈钢保持了良好的断裂韧性(KIC=111 MPa m1/2)。