均匀块体纳米材料具有很好的强度但塑性变形能力有限，应变局域化是其低塑性的主要原因之二。梯度纳米结构（晶粒/孪晶特征尺寸随深度呈梯度变化）可以调节应力分布，分散应力集中从而抑制应变局域化，使纳米结构同时具备高强度和良好的塑性变形能力，为高强高韧材料的研究提供了新的途径。此外，梯度纳米结构中纳米晶可以承担较大的塑性变形而不发生断裂，因此为揭示纳米晶内在变形机制提供了理想样品。比较纯金属纳米晶和纳米晶合金的变形行为对理解纳米晶变形机制与性能之间的关系具有参考价值。　　表面纳米化技术是制备梯度纳米结构的有效方法。通过表面机械碾压处理(SMGT)，制备了三种不同类型的梯度纳米结构，分别为梯度纳米结构纯铜、梯度纳米晶/梯度纳米孪晶混合结构316L不锈钢和梯度纳米结构GCr15钢。利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(STEM)及背散射电子成像(EBSP)等技术对梯度纳米结构的晶粒形貌、尺寸及取向等信息进行系统表征。通过室温单向拉伸梯度纳米结构，研究其力学性能，重点研究拉伸变形样品中GNG层的微观结构演变，探索纳米晶的塑性变形机制。所得主要结论如下:　　1.梯度纳米结构纯铜　　(1)在液氮温度下利用SMGT在纯铜棒上制备出梯度纳米结构，变形层厚度为600μm。其中上表层0～60μm之间为纳米晶层，晶粒短轴尺寸从最表面的20 nm增加到100 nm。在60～150μm范围内，微观结构为亚微米晶粒。随着深度进一步增加，变形结构主要为位错胞，尺寸逐渐增加到芯部粗晶(CG)的20μm。　　(2)室温拉伸梯度纳米结构纯铜样品的屈服强度(σ0.2)为129±17MPa，均匀延伸率达到31±2％。表面纳米晶屈服强度为660MPa，为粗晶的10倍，塑性变形能力与粗晶相当，真应变超过100％而不发生断裂。机械驱动的晶界迁移是表面纳米晶的主要塑性变形机制。　　(3)拉伸后，在GNG/CG结构中同时观察到加工硬化和软化的现象。两种机制相互竞争并达到平衡，此时平均晶粒尺寸为165±58 nm。在变形过程中，小于平衡尺寸的晶粒会发生晶粒长大，由机械驱动的晶界迁移主导;而大于平衡尺寸的晶粒则会发生晶粒细化，由位错活动主导。　　(4)经SMGT处理，GNG层内纳米晶的取向随机，织构较弱。随着拉伸应变的增加，晶粒发生偏转，沿拉伸轴形成<111>方向的丝织构，垂直于拉伸轴则为<101>方向的丝织构，与粗晶铜在室温单向拉伸形成的织构类型相似。　　2.梯度纳米晶/纳米孪晶混合结构316L不锈钢　　(1)梯度纳米晶/纳米孪晶混合结构分为四部分，从表面至芯部依次为:0～30μm范围内为梯度纳米晶结构，30～50μm之间是纳米晶、纳米孪晶和剪切带组成的混合结构，50μm以下至350μm由不同片层厚度的孪晶组成，为梯度纳米孪晶结构。更深处以平面位错列和层错为主，直到芯部粗晶，平均晶粒尺寸为46μm，变形层总体厚度约为400μm。　　(2)梯度纳米晶/纳米孪晶混合结构316L样品的屈服强度达到460±49MPa，约为粗晶样品(193±6 MPa)的2.4倍，同时均匀延伸率从45.1±1％下降到43.2±3.7％，为粗晶样品的96％。材料的强度提升幅度随着GNG层所占体积分数的增加而增加。　　(3)拉伸变形后，梯度纳米晶的变化主要有三个特征:ⅰ）晶粒长大，随着应变的增加，晶粒短轴尺寸从23±8 nm增加到57±19 nm，机械驱动的晶界迁移在纳米晶合金中依然起作用。由于合金元素的影响，晶界迁移的速率在0.01 nms-1量级，比纯金属纳米晶样品低一个数量级;ⅱ）马氏体相变，马氏体的含量随着拉伸应变的增加而增加，马氏体相变有效的协调了表面纳米晶的塑性变形;ⅲ)机械孪生，纳米晶中孪晶密度随着应变增加而增加。由于三种变形机制的协调作用，表面纳米晶同时具备高强度和一定的塑性变形能力，从而改善了材料的强塑性匹配。　　3.梯度纳米结构GCr15　　室温SMGT处理GCr15钢中，塑性变形层厚度超过300μm。距表面深度为230μm处，铁素体的晶粒尺寸从12μm逐渐细化到470 nm，主要的变形结构为位错墙、位错胞等。在20～230μm之间，渗碳体颗粒发生塑性变形，变形特征为沿平行滑移面切割渗碳体的滑移带。两相晶粒尺寸均随深度减小而降低。在0～20μm之间，两相晶粒尺寸进一步细化。最表层为两相纳米晶的混合结构，平均晶粒尺寸为7±2nm。　　铁素体的细化过程由位错活动主导。塑性变形导致的位错萌生和增殖在铁素体晶粒中不断形成位错胞和位错墙结构，将晶粒尺寸逐步细化到纳米量级。渗碳体的存在加速了铁素体的细化过程。在次表层(深度＞20μm)，渗碳体细化主要源于位错的切割机制。表层(深度为0～20μm)渗碳体发生连续细化，并伴随渗碳体的分解。XRD结果证实表层渗碳体含量随着处理道次的增加持续减少。