纳米结构材料的力学性能和微观组织是两个重要的研究方面。晶粒细化通常伴随着材料屈服强度的提高和拉伸伸长率的显著下降，而通过表面机械研磨处理(SMAT)可以获得晶粒尺度梯度变化的表面纳米层，在强化材料的同时较大程度上保留了韧塑性。　　 本文针对301奥氏体不锈钢，采用SMAT变形以及随后的退火热处理，获得变形态和退火态组织。分别进行准静态拉伸和压缩实验，探讨了强度、拉伸伸长率、加工硬化以及率敏感性的问题；并结合微观组织观察，研究了SMAT变形过程中的马氏体相变和晶粒细化。主要结论包括：　　 (1)原始态屈服强度为240 MPa，在SMAT变形前5分钟快速增长，5分钟后增长平缓，并在30分钟SMAT后达到621 MPa。原始态抗拉强度为697 MPa，在SMAT变形前5分钟平缓增长，5分钟之后基本保持不变，30分钟抗拉强度为856 MPa。拉伸伸长率随着SMAT时间增加而降低，从原始态的0.71经30分钟SMAT降为0.41。 　　 (2) SMAT变形10分钟，拉伸伸长率从0.55经过300和450℃退火10分钟分别下降为0.53和0.51，退火温度为600和800℃时，延伸率分别为0.59和0.60。屈服强度随退火温度增加而降低。 　　 (3) SMAT变形15分钟后，在700℃退火。拉伸伸长率从5分钟退火的0.59下降为30分钟退火的0.53，而屈服强度和抗拉强度基本稳定。 　　 (4)原始态屈服强度243 MPa，具有梯度表层组织的屈服强度为436MPa，加工硬化指数从0.44降为0.31。 　　 (5)经退火处理后，硬化指数从变形态的0.31分别升高4000C的0.32和700℃的0.35。原始态、变形态和退火态的加工硬化指数均随应变速率增加而减小。　　 (6)原始态、变形态和退火态的流变应力同应变速率的标准对数基本符合单调递增的线性关系，三种状态的流变应力的率敏感性基本相同。　　 (7) SMAT处理的301不锈钢纳米梯度表层完全发生马氏体转变。 　　 (8)晶粒通过两个或者多个晶体学取向马氏体析出分割细化基体，位错进一步细化晶粒，梯度表层形成100 nm左右的等轴纳米晶粒。