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随着金属基复合材料在现代社会的不断运用,人们对其提出了更高的要求：在某些构件中,需要具有一定的强度、较好的塑韧性和热稳定性,三级或多级结构复合材料便由此产生。以Al合金为例,这种由超细晶(<800nm)Al、粗晶(>800nm) Al和增强颗粒组成的复合材料,通过三者的合理组成实现了材料的可控制备,并满足所需要的力学性能。本文以B4C增强Al基复合材料为研究对象,采用实验研究和有限元模拟相结合的方法,研究了A15083-B4C复合材料的显微组织与力学性能,对设计和制备高性能颗粒增强铝基复合材料具有重要的理论意义。在实验方面,首先通过粉末冶金法制备了A15083-B4C三级结构复合材料,并对材料进行微观结构表征和力学性能测试,结果表明：复合材料由超细晶A15083、粗晶A15083和B4C组成,其平均粒径分别为381nm.970nm和793nm,增强颗粒B4C均匀分布在A15083基体中,且二者界面结合良好,没有间隙。拉伸实验表明,A15083-B4C的屈服强度为427MPa,抗拉强度为477MPa,其屈服强度比普通A15083高出50%以上。A15083-B4C复合材料的强化机制可分为间接强化和直接强化两个方面,间接强化包括细晶强化、位错强化、弥散强化等方面,而直接强化为颗粒通过载荷传递的机制直接负担一部分载荷,从而对复合材料进行强化。通过计算可得,细晶强化对屈服强度的贡献值最大,且采用混合强化模型预测复合材料的屈服强度为432MPa,与实验吻合较好。经退火处理后,复合材料的硬度略有降低,其热稳定性较好。在有限元模拟方面,首先建立了描述A15083-B4C复合材料的轴对称单胞模型,并利用ANSY S软件进行模拟,以球形颗粒作为增强相,将模拟结果与实验结果对比可以看出：在不考虑热残余应力的情况下,模拟的屈服强度和抗拉强度分别为449和484MPa,相对误差分别为5.2%和1.5%。而考虑热应力存在时,模拟的屈服强度和抗拉强度分别为438MPa和476MPa,相对误差分别为2.6%和0.2%。因此,考虑热应力的影响并采用热-结构耦合分析复合材料的应力应变曲线会更准确。模拟研究颗粒形状、体积分数、长径比对复合材料力学性能的结果表明：圆柱形颗粒尖角处会产生较大的应力集中,而球形颗粒界面处应力过渡比较均匀。在一定范围内,复合材料的强度随着材料的体积分数的增加而增大。在体积分数不变的情况下,不同长径比颗粒沿复合材料拉伸受力方向定向排列时,B4C颗粒的长径比越大,A15083-B4C复合材料的强度也就越高。对A15083-B4C从450℃冷却至20℃时产生的热残余应力进行了模拟计算,可以看出基体A1受残余拉应力,而增强体B4C受残余压应力。不同颗粒形状增强复合材料的热应力分布及大小不同,圆柱形颗粒在界面处的残余应力较大,而球形颗粒的热应力较小,采用近球形颗粒可以有效降低复合材料内的热应力。