纳米结构金属材料由于缺乏有效的加工硬化机制，因此具有高强度和低塑性的特点。强度和塑性的“倒置关系”限制了纳米材料的广泛应用。提高纳米材料强塑性匹配是研究人员追求的目标，具有重要的学术价值和潜在的应用前景。近来，以非均质结构为特点的微观结构设计为规避纳米金属强度-塑性倒置关系提供了潜在的解决途径。其中，反向梯度纳米结构作为一种新型的非均质结构，表现出优异的力学性能。对于反向梯度纳米结构材料的研究虽已取得一些成果，但对反向梯度纳米结构材料的力学行为及其强韧化机制仍然缺乏深入研究。
　　本文在316L不锈钢、AlCrFeNi高熵合金和纳米片层结构Ni上制备出反向梯度纳米结构，并研究其在室温下的力学行为及变形机制。通过透射电子显微镜对反向梯度结构材料在变形过程中的微观结构演变进行分析，揭示了反向梯度纳米结构中不同组织的变形机制。主要研究工作如下：
　　反向梯度纳米结构316L不锈钢(I-GNS 316L SS)样品屈服强度为978MPa，伸长率为11.4%。通过透射电镜研究了芯部不同纳米结构在不同拉伸阶段的变形行为。在拉伸过程中，表面的反向梯度层能优先发生塑性变形，并且为芯部纳米结构的变形提供位错源，从而促进芯部纳米结构的加工硬化，避免了过早的应变失稳。同时，在表面反向梯度层的约束下，芯部的纳米晶结构通过晶界迁移机制获得了良好的变形能力，纳米孪晶结构周围和纳米片层结构内部通过生成变形孪晶抑制了应变局域化，激活的多种变形机制保证了芯部纳米结构与表面反向梯度层在拉伸过程中共同变形。因此，在低体积分数的再结晶晶粒下，反向梯度结构316L不锈钢获得了较大的塑性。
　　通过SMGT技术和EMIH技术分别制备了正向梯度结构和反向梯度结构的高熵合金。铸态AlCrFeNi高熵合金的屈服强度为634MPa，均匀延伸率为8.5%。正向梯度结构高熵合金的屈服强度为655MPa，均匀延伸率为8.1%。反向梯度结构高熵合金的屈服强度为616MPa，均匀延伸率为11%。反向梯度结构表现出更优的力学性能。微观组织分析表明，正向梯度结构样品的塑性降低是由于表面梯度层中生成的微裂纹会促进裂纹萌生，造成样品的提前断裂。而反向梯度结构样品在加热过程中发生的B2相→FCC相的相变过程和再结晶过程明显提高了拉伸塑性。同时由于受到热影响，FCC相的元素分布均匀和结构尺寸变厚为位错活动提供了足够的空间。此外，由表面加热导致的位错密度和残余应力降低也有助于材料力学性能的提高。
　　以大应变量轧制Ni样品为蓝本，通过退火处理和电磁感应加热技术分别制备了具有不同再结晶含量的随机再结晶态Ni和反向梯度纳米结构Ni。拉伸结果表明，当均匀延伸率提高到7.5%时，随机再结晶态样品的屈服强度为600MPa。而反向梯度结构样品的均匀延伸率提高到9.4%时，屈服强度降低到491MPa。随机再结晶态样品具有更优的力学性能，这是由于退火生成的再结晶为层片状分布能有效的承受应力和应变，而且层状分布的再结晶晶粒也更容易捕获拉伸过程中变形基体产生的裂纹。但是，反向梯度结构样品的均匀延伸率在再结晶体积较小时即有显著增加。这是因为反向梯度结构样品的表面形成的再结晶层具有较高的塑性，在拉伸过程能较好的传递塑性应变，从而使样品能稳定的变形。