为揭示梯度纳米结构金属的应变硬化机理，利用SAMT技术在IF钢、304不锈钢、AZ31镁合金中制备了多种梯度纳米结构样品，通过拉伸、循环应力松弛、微结构表征以及有限元模拟，研究了梯度纳米结构表层与粗晶基体协调变形的微观过程、力学性能与应变硬化规律、以及应变硬化过程对应的可动位错形成与增殖、马氏体相变等微结构行为。得出以下主要结论：(1) 梯度纳米结构在拉伸过程中发生单轴向多轴的应力状态转变。粗晶基体发生屈服后，因泊松比不同而在梯度表层产生拉─压、在粗晶基体形成拉─拉多轴应力状态；整体进入屈服以后，梯度表层失稳受基体抑制，表层产生拉─拉、而粗晶基体形成拉─压多轴应力状态；(2) 梯度表层与粗晶基体在侧向的协调变形使梯度纳米结构在拉伸过程中形成应变梯度，导致几何必需位错密度增加从而提高应变硬化；同时应力状态由单轴向多轴的转变过程使可动位错密度不断形成并增殖，进一步提高了位错交互作用与应变硬化；(3) 梯度纳米结构表层细小的晶粒结构和多轴应力状态使马氏体相变持续到较高的应力与应变水平，使得在高应力水平下获得高应变硬化，从而得到超过1500 MPa屈服强度和20%均匀拉伸伸长率；(4) 在镁合金中，梯度纳米结构表层与粗晶基体不同的滑移模式在界面处形成高应力，使锥面滑移在室温下被激活，从而使屈服强度提高2─5倍且保留超过10%的拉伸伸长率。此外，由于负责人工作单位发生变动，开展了部分适应新单位要求的研究工作，得到主要结论如：(5) TiAl合金热处理过程中微孔膨胀以致微裂纹形成是室温脆性的主要因素，通过集成热等静压和热处理工艺，得到无缺陷组织并使室温强度与拉伸延性同时提高；(6) 位错可在石墨烯/金属基体界面上滑移，从而影响并弱化石墨烯金属的变形织构；同时石墨烯可抑制晶界迁移而提高金属的热稳定性。