梯度纳米结构因其独特的变形行为和优越性能成为材料科技的前沿热点。利用表面塑性变形可在金属材料板材、棒材外表面和管件内表面制备出梯度纳米结构。表面塑性变形特别适合研究塑性变形的结构演化规律,一方面,沿深度呈梯度分布的组织结构直接地对应了变形的程度,另一方面,表层大应变、高应变速率和高应变梯度还使结构细化突破了传统塑性变形的细化极限。利用表面塑性变形在具有广泛应用背景的低碳钢表面制备梯度纳米结构,势必可优化其表面性能并对其整体的服役行为有益;另外,还可以系统研究典型的具有先共析铁素体和珠光体的复相金属的塑性变形结构演化规律和晶粒细化行为。因此,本研究选择含碳量为0.2 wt.%（20钢）的低碳钢管为研究对象,利用课题组研发的管件内表面机械碾磨技术（PISG）制备梯度纳米结构。详细表征不同深度的变形结构及硬化效果并与传统冷轧（CR）对比揭示塑性变形结构演化规律。获得如下研究结果:1)120μm压下量1道次PISG在20钢中获得了约70μm厚的梯度纳米结构和约1.5-2 mm厚的变形层。先共析铁素体被细化至20nm,硬度由150HV被提高至450HV以上;珠光体中的铁素体和渗碳体片层分别被细化至21nm和11nm,硬度由290HV被提升至600HV以上。2)揭示了PISG 20钢中的结构演化过程:先共析铁素体:位错运动重组形成位错缠结、位错胞、延展位错结构,然后发展成为超细层片结构,最后形成纳米层片结构;珠光体:粗大铁素体、渗碳体层片的变形、细化、渗碳体层片的分裂形成超细珠光体层片最终转化为纳米珠光体片层。3)轧间充分水冷促进了20钢轧制细化及强化效果。80%轧制可将先共析铁素体的层片厚度减小到127nm,将硬度提升至350HV,将珠光体中铁素体和渗碳体层片厚度分别减小到63nm和24nm,将硬度提高到410HV。4)冷轧变形中,20钢中先共析铁素体形成超细层片结构,随着压下量的增加,层片厚度减小;珠光体形成粗大层片、弯曲层片、精细层片和不均匀层片结构。随着压下量的增加,粗大层片比例降低,精细层片比例提高。