纳米晶金属优异性能展示出的广阔前景使得其强化机制成为近年来研究的重要热点。相比与纳米晶纯金属,合金元素在晶界的偏聚使纳米晶合金具有了更高的结构稳定性,其强化机制也更为复杂,不但有细晶强化、固溶强化作用的影响,还包括了晶界性质和宽度改变的作用。尽管理论研究可以对各微结构因素的作用进行分别处理,但从实验上的揭示并进行对比是极为困难的,因为各微结构因素均随合金含量的变化同时发生改变,它们的强化作用也相互交织而难以区分。尽管许多研究进行了努力,但事实上并没有真正从实验上区分出各微结构因素独立的作用,正是这一实验研究上的困难,迟滞了对纳米晶合金强化机制研究的深入。本论文选择Al-Zr纳米晶合金作为研究对象,采用高溶质含量非晶层分隔低溶质含量晶体层的二维结构多层膜实验模拟方法,对晶粒尺寸、晶内溶质含量以及晶界的成分和宽度四个主要的微结构因素加以“孤立”,通过单个因素的改变,揭示了它们各自在纳米晶合金强化中的作用、相对权重和变化规律;进而结合与三维结构纳米晶薄膜的对比,建立一个将现有强化理论和计算公式用于纳米晶合金薄膜的“桥梁”,获得基于各微结构因素作用规律的纳米晶合金薄膜强化机制和强度增量计算公式。论文获得的主要研究结果包括:1.在Al-Zr合金薄膜中,溅射粒子原子尺度的混合和薄膜生长的高非平衡性,使薄膜在Zr含量低于12.3 at.%时形成超过饱和固溶体的纳米晶,硬度相应迅速提高。随Zr含量的增加,薄膜中产生多种极细密的Al-Zr金属间化合物,高分散化合物和Al固溶体的混合使薄膜逐渐呈现非晶结构,而化合物数量的增加支持了薄膜硬度的持续上升,并在含33.3 at.%Zr达到9.8 GPa最高值。2.二维结构的多层膜实现了对晶粒尺寸、晶内溶质含量以及晶界的成分和宽度四个主要的微结构因素“孤立”和独立改变,研究结果表明:（1）在晶粒尺寸方面,纳米晶Al-Zr合金与纳米晶纯Al一样,存在硬度随晶粒尺寸减小偏离Hall-Petch关系和反Hall-Petch现象,它们偏离和出现反Hall-Petch关系的临界值同样与纳米晶纯金属相当,分别为40 nm和10 nm。（2）在晶内溶质含量方面,Al-Zr合金薄膜中的固溶强化作用在尺寸为30 nm晶粒中依然存在,其所造成的硬度增量与基于粗晶材料位错运动的Fleischer模型计算得到的增量相当。（3）在晶界方面,晶界合金元素增加造成的薄膜硬度上升与其合金元素增加后的晶界本身硬度的提高有关,而晶界宽度增加所造成的硬度增量则与高硬度的晶界区在薄膜中所占体积比的增加有关,两者带来的硬度增量都不明显,并都可由晶界区与晶粒所占体积比通过混合法则（ROM）确定。3.通过对三维结构薄膜表征获得各微结构因素随Zr含量的变化规律后,将由以上二维结构多层膜中获得的规律,结合各微结构因素的强化理论计算,得到了各微结构因素在三维结构薄膜强化中随Zr含量变化的规律和所占权重:（1）细晶强化对薄膜的硬度增量贡献最大,在Zr含量小于1.9 at.%时,其所占的权重几乎达到总增量的80%,随Zr含量的增加,其权重逐渐降低至含11.1 at.%Zr时的50%左右。（2）固溶强化造成的硬度增量呈现随薄膜Zr含量增加而逐步减缓的趋势,其在薄膜强化中所占的权重因细晶强化增量的降低而提高,从小于1.9 at.%Zr时的约10%逐步提高至含11.1 at.%Zr时的35%左右。（3）晶界成分和宽度共同作用造成的硬度增量与薄膜总Zr含量的增加几乎呈线性关系,其在薄膜强化中所占的权重变化不明显,从小于1.9 at.%Zr时的约10%小幅增加至11.1 at.%Zr时的15%左右。4.综合各微结构因素的作用得到的硬度增量和实测的薄膜硬度增量随Zr含量的变化具有一致性,它们硬度增量的变化都存在Zr含量小于1.9 at.%时的快速上升,1.9-8.3 at.%Zr范围保持上升趋势但增幅减缓,和Zr含量高于8.3 at.%后的硬度增量下降的三个阶段。