均质结构的金属材料根据Hall-Petch公式,可以推测其大概的力学性能,如纳米材料的强度、硬度都非常高,但其极其细化的晶胞很难产生、存储更多位错,往往很早就失稳进入了颈缩阶段,而粗晶材料的均匀延伸性非常好,加工硬化能力也很强,但其较低强度限制了它们在工业领域上的应用,对于金属材料而言似乎存在一个瓶颈限制了其较高的综合机械性能的设计。近年来,诸多科学家提出了异质结构材料的概念,既通过在金属材料中引入一个异质区域,来同时获得纳米材料的高强度和粗晶材料的高延展性,从而实现金属材料的强度-塑性的良好匹配。对于铜及铜合金而言,考虑其在工业应用的领域时,尤其是工程结构材料方面,屈强比的大幅提高能够极大地扩展其应用,在金属材料传统的“四大强化”之外,探索额外强化（提高屈服强度而均匀延伸率只降低很少）方法以及探究其微观作用机理,对于指导工业化生产及改进很有现实意义。在本研究中,选择了具有不同层错能的铜铝合金,Cu-4.5 wt%Al（SFEs:12 m J/m~2）和Cu-6.9 wt%Al（SFEs:5m J/m~2）。所有的样品都在液氮温度下用表面机械研磨处理2分钟,以便在块状的4mm厚的退火粗晶铜铝合金片上产生一个梯度结构的表面层。论文工作围绕梯度结构材料的加工硬化行为展开,探究室温下准静态拉伸优异的屈服强度-均匀延伸性组合背后的微观机理,进行了显微硬度测试、包申格效应测试、应力释放试验以及数字图像相关法等力学性能测试,探究表面机械研磨处理前后硬度分布来判断梯度层形成的厚度的情况,测试梯度材料的异质结构诱导应力随应变的变化,研究可动位错随应变进行的变化情况,以及试验在准静态单轴测试过程试验全局应变的演变状态,从力学方面解释梯度结构对于优异性能的贡献。进行了金相显微、断口扫描、电子背散射衍射、透射电镜等观察,分析梯度结构层塑性变形程度,定量地表征了几何必须位错密度在拉伸前后分布情况,观察了位错、层错、孪晶在变形过程中出现的阶段,为从微观上解释应变硬化机理提供强有力的证据。经过一系列的测试分析得知:在变形的早期阶段,两种合金的梯度试样都展示出几何必须位错密度的梯度分布,在最表面显示出最高的几何必须位错密度。当塑性应变增加到前中期时,粗晶心部的GND密度明显大幅增加,表层的几何必须位错密度变化较稳定、涨幅不大,从SFE12与SFE5梯度试样心部的几何必须位错密度的涨幅趋势来看,说明SFE5合金中的位错存储能力比SFE12合金高,且相关表征特征SFE5-2min试样在前中期应变阶段更像SFE12-2min试样的早期应变阶段,这可能是SFE5试样能够保持良好均匀延伸性的关键。梯度结构层的靠近表层位置（≤40μm）、次表层位置（≤150μm）和变形影响层位置（≤250μm）分别存在三个典型的微观结构层:（i）高密度纳米孪晶和纳米层错共存于表面附近的层中;（ii）在次表层中形成大量全位错缠结;（iii）全位错在变形影响层中占主导地位。屈服强度提高的主要原因是梯度层中的纳米孪晶和面角位错对可动位错的存储、塞积的作用,除此之外还有异质结构诱导强化产生的额外的强化作用。较低的层错能增加了纳米层错的密度,导致中间应变阶段SMAT处理后SFE5合金中纳米孪晶的间距更细和位错存储量高,从早期到前中期应变阶段始终以层错机制主导塑性变形,这是SFE5合金中观察到的应变硬化率的显着上升原因,而SFE12合金因为前中期应变阶段进入了孪生机制主导塑性变形过程,尽管也较好的保持了强度和塑性,但不可避免的影响了梯度结构试样的均匀延伸性。