金属材料在严重塑性变形下往往发生显著的晶粒细化,当晶粒细化至亚微米或纳米级别后,其强度可以得到大幅度提高,因此纳米结构金属材料由于其独特的结构和性能关系,成为材料科学研究的热点。通过塑性变形技术,在金属材料中可诱导产生高密度缺陷和界面,并且对金属材料的晶粒细化作用产生显著影响。镍基合金被广泛应用于诸如航空航天发动机在内的众多重要领域,如何优化其结构进而提升其性能逐渐成为研究的热点。而诸多镍基合金中均含有γ’析出相,在严重塑性变形过程中,γ’析出相和γ基体相之间存在怎样的相互作用以及如何与结构演化产生相互联系,则为本课题所要研究的另一个重点问题。本工作利用表面机械滚压处理（Surface Mechanical Rolling Treatment,SMRT）技术在低层错能高密度γ’析出相强化的镍基合金中通过8道次的处理得到梯度纳米结构,在样品的应力层中同时制备出纳米晶、孪晶和层错结构。借助于扫描电镜（Scanning Electron Microscope,SEM）、透射电镜（Transmission Electron Microscope,TEM）和能谱（Energy Dispersive Spectrometer,EDS）等表征方法,揭示在形成梯度纳米结构的过程中该镍基合金的晶粒细化机制。同时参考元素的迁移与扩散概念,解释在这一过程中合金元素的再分布现象和机理。最终得出以下主要结论:（1）SMRT 8道次处理后的镍基合金表层形成了约450μm的梯度变形结构,对材料变形参数拟合结果显示在SMRT加工过程中由表及里所产生的应力和应变速率分布为梯度分布,应变速率最高达1.6×10~3 s–1。从心部到表面材料的微观结构大致可分为粗晶结构,层错轻微破坏γ’析出相结构,孪晶严重破坏γ’析出相结构,纳米晶结构,即SMRT处理后的材料最终所呈现的梯度结构源于在加工过程中应力和应变速率的梯度分布。（2）该镍基合金在低应变速率下即可产生层错,随着应变速率的增高,滑移面得以继续开动进而形成孪晶结构。且孪晶的形成为结构演化的关键步骤,最终不同方向上的孪晶彼此交割得到纳米晶结构,平均尺寸为～13 nm。（3）在层错形成区域γ’析出相与γ基体相之间的异质界面上产生缺陷移动,伴随着两相之间原子的相互迁移,造成宏观上两相所含元素量值的改变。在孪晶区域,对γ’析出相更多为直接“切削”作用,造成元素迁移与扩散程度有所下降。最终整个梯度结构材料在宏观上呈现出变形层内均有明显的元素迁移扩散,但随着深度的降低,各个元素的扩散能力减弱的现象。（4）应力诱导的元素迁移与扩散程度类似对合金升温处理,对应的等效扩散温度在1600 K以上,且合金内Co迁移扩散速率大于或接近Al和Ti元素,和热激活下这些元素的扩散速率大小顺序并不一致,从而证实两者的机制并不相同。（5）该镍基合金在SMRT处理过程中的结构演化机制制约了最终的元素迁移扩散程度,且元素的迁移与扩散仅发生在局部微小区域,在整个变形层内并未有元素平均含量的改变。