金属材料的强度与塑性是评价材料综合力学性能的重要参数。已有的研究表明通过调控材料的微结构使材料具有非均匀的显微结构，如：bimodal结构、梯度结构、纳米孪晶结构和非均匀层片结构等，可以在提高金属材料的强度同时保持良好的塑性变形能力。这一性能的改善通常归结为材料中非均匀组织之间的交互作用，包括：应力-应变分配、背应力强化等，从而提高了材料的加工硬化能力。 本研究选择BCC结构的低碳合金钢为研究材料，通过大变形量的冷轧以及后续不同温度、时间下的退火获得了具有非均匀层片结构的试验样品，并进行了准静态拉伸、疲劳以及疲劳裂纹扩展试验等实验系统的研究了其综合力学行为。结合对非均匀层片结构的试样的光学显微镜、电子背散射衍射分析等微结构表征结果，对非均匀层片结构材料的力学性能机理进行了分析。 工作的主要结果如下： 对冷轧83%后的板材，通过300℃~750℃范围，5~120分钟的退火处理，获得了具有不同再结晶程度的非均匀层片结构样品。EBSD分析表明随温度的增加，典型的再结晶体积百分比从~2.8%增加到~51.8%。光学显微镜的观察表明低温短时退火组织仍保持了冷轧的层片结构特征，随着温度的增加，层片结构逐渐向等轴组织发生转变； 拉伸实验表明，随着退火温度的增加或退火时间的延长，试验的拉伸屈服强度逐渐从1347MPa降低到531MPa，而均匀延伸率逐渐增加从0.16%增加到16.03%，试验的强塑积从0.59%增加到8.97%GPa%，根据拉伸曲线的形态可以将样品划分为三种类型：（1）高强度+低延性。这一类型通常对应于低温短时处理。拉伸曲线屈服后即进入颈缩阶段，几乎没有均匀伸长。（2）中等强度+较高延伸率，但没有加工硬化。拉伸曲线屈服后即进入屈服平台，在较大应变后直接进入颈缩。（3）较低强度+高延伸率。拉伸曲线具有典型碳钢的拉伸曲线，屈服后是屈服平台区，然后由于加工硬化而发生均匀塑性变形，直到颈缩。 对三种典型拉伸类型的样品进行疲劳S-N曲线与疲劳裂纹扩展试验，结果表明样品的疲劳强度随着材料屈服强度的提高而提高，二者之间基本符合比例系数为0.38的正比例关系。疲劳裂纹扩展试验表明在同一裂纹尖端应力强度因子幅值作用下裂纹扩展速率随着材料屈服强度的增加而增加。