纳米金属应变硬化能力低，容易产生应变局部化，导致早期颈缩，所以其均匀拉伸伸长率很低。当纳米晶Cu附着在粗晶Cu基体上形成梯度纳米结构时，表层纳米晶能和基体一起塑性变形，均匀拉伸伸长率高达30％，并认为应变诱导晶粒长大是纳米晶Cu具备高塑性的主要原因。　　 课题组前期工作表明，梯度纳米结构Fe中的表层纳米晶没有发生晶粒长大，同样具有较高的均匀拉伸伸长率。因此带来的科学问题是:对于梯度纳米结构Fe，表层纳米晶的应变硬化机制是什么？解决该问题有助于探索梯度纳米结构具备高塑性的真正原因。梯度纳米结构在拉伸过程中，表层纳米晶和基体的应变协调会引入与拉伸方向相垂直的应力，导致表层应力状态由单轴转变为多轴。因此，首先针对纳米晶Ni和Cu，利用分子动力学(MD)模拟，分析并阐明了双轴应力状态下的塑性变形机制;然后针对梯度和均匀纳米晶Fe，研究并阐明了梯度纳米晶Fe的塑性变形机制以及梯度结构对表层纳米晶力学行为的影响。主要研究结果如下:　　 1.通过分析、总结柱状和三维纳米晶Ni的塑性变形行为，表明与单轴应力状态相比，双轴应力状态可以激发次级滑移系，产生更多的滑移位错，使晶粒内部位错密度增加，同时，个别晶粒内部产生特殊的位错锁结构，产生应变硬化效应;然而，双轴应力状态却易导致微裂纹的形成，产生应变软化效应。这两种竞争的效应共同影响双轴应力状态下纳米晶Ni的塑性变形。　　 通过分析三维纳米晶Cu的变形行为，表明与纳米晶Ni不同，纳米晶Cu在拉伸过程中没有任何纳米孔洞及微裂纹的产生;与单轴应力状态相比，双轴应力状态首先更有利于激发孪晶偏位错，导致孪晶偏位错密度增加，然后激发次级滑移系，导致晶粒内部总的偏位错密度增加，阻碍位错运动，产生应变硬化效应。　　 2.分析了梯度纳米晶Fe中不同大小晶粒的塑性变形行为，表明:25nm的小晶粒以GB运动为主，晶粒内部存在少量的位错运动，并发生了位错反应;对于54 nm的晶粒，个别GB附近形成位错的“塞积”;对于105 nm的大晶粒，位错运动较明显，并且位错呈直线排列，同时，个别小角GB发生分解、退化，在晶粒内部形成小角位错墙，阻碍其他位错的运动，形成位错塞积。　　 比较、分析梯度和均匀纳米晶Fe表层纳米晶的力学行为，表明与均匀纳米晶Fe中表层相比，由于应变协调，梯度纳米晶Fe中形成较大的侧向应力σy和σz，导致表层的应力状态由单轴转变为多轴，从而激发次级滑移系，导致表层晶粒内部的位错数增加，并发生位错反应，产生应变硬化效应。