梯度结构材料因其具备良好的机械性能而备受关注,本文主要以Cu-Al、Cu-Zn合金为研究对象,通过表面机械研磨处理(Surface mechanical attrition treatment, SMAT)工艺在试样表面制备出纳米梯度结构材料,并对其塑性变形机理、显微组织及力学性能进行分析研究。在SMAT工艺处理过程中,刚性弹丸以任意方向高速撞击试样表面,试样从表面至芯部承受梯度变化的应变量、应变速率,表层晶粒细化程度最高,晶粒尺寸达纳米量级,随着深度的增加,细化程度逐渐减弱,微观组织从表层依次可分为纳米晶层、细晶层、变形粗晶层、基体粗晶层四部分。本试验中,选取室温、低温两种SMAT工艺处理温度,研究不同温度下材料塑性变形机理及对力学性能的影响,试验表明低温条件下SMAT工艺处理时位错的回复与再结晶很大程度上受到抑制,试样强度要高于室温条件下。控制板厚,研究试样分别经5min、30min、 60min低温SMAT工艺处理后显微组织及力学性能的变化,研究表明随着SMAT处理时间的延长,表层晶粒逐渐细化,位错密度、孪晶密度逐渐增加,试样强度得到提升,塑性有所下降。将1mm、 2mm、3mm、4mm厚Cu-4.5wt.%Al合金板材分别经低温条件下SMAT工艺处理5min,研究梯度结构层体积分数对试样力学性能的影响,拉伸试验表明试样整体屈服强度要高于由混合定则(ROM)计算出强度,证明在梯度结构材料中存在协同强化作用,这是因为在拉伸试验过程中,由于梯度结构层(GS layer)与基体粗晶层(CG layer)之间存在变形错配,导致几何必须位错在GS/CG界面处塞积,产生额外的加工硬化。将不同成分的Cu-Al、Cu-Zn合金分别经低温条件下SMAT工艺分别处理5min、30min,研究层错能对材料力学性能的影响,拉伸试验表明,随着层错能的降低,试样强度得到提升,显微组织研究表明,随着层错能的降低,孪生临界应力减小,以位错滑移为主导的塑性变形机制会向孪生变形方式转变,位错密度增加,晶粒尺寸减小,试样在孪晶强化、位错强化和细晶强化三者共同作用下,强度得到提升,Cu-4.5wt.%Al、Cu-20wt.%Zn试样塑性最好,说明存在最合适的层错能,在此层错能下,试样加工硬化率最高,塑性最好。金相试验表明试样经SMAT工艺处理后,表层晶粒得到细化,试样最表层在大的应变量及高应变速率作用下,以变为流变组织。能谱分析表明试样经SMAT工艺处理后,表面有Fe元素存在。采用原子力显微镜对试样表面形貌进行观察可知,试样经SMAT工艺处理后,表面并不平整,存在微小范围内的上凸与下凹。对断口形貌进行观察可知,试样表层为平坦的断裂面而芯部存在大量大且深的韧窝,说明试样表层与芯部呈现不同的断裂方式,表层为脆性断裂而芯部为韧性断裂。