大多数金属材料的破坏都起源于表面,强化金属表面对于提高其服役寿命有着至关重要的作用。传统的均匀结构材料都表现出强韧性倒置的关系,即粗晶材料有较强的韧性,但是强度较低,而超细晶材料则完全相反。梯度纳米晶粒（GNG）结构材料却能克服这种倒置关系。梯度纳米晶粒结构是一种表面为纳米晶粒,越靠近芯部,晶粒尺寸越大的结构。正是这种晶粒尺寸呈梯度分布的特殊结构使得材料表现出优异的力学性能。因此,通过表面处理在靠近材料表层的区域引入梯度纳米结构,可以有效提高材料的综合服役性能。本文利用金属表面纳米化试验机对于纯铜材料进行了SMAT,制备出了梯度纳米结构纯铜。通过宏微观实验以及有限元模拟,对于SMAT前后纯铜的循环变形行为以及引起这种差异的微观机制进行了研究。研究成果对于改善材料的疲劳寿命以及揭示其背后的原理有一定的指导意义。具体的研究内容及成果如下:（1）利用SMAT工艺制备出了梯度纳米结构纯铜,对其进行了单轴拉伸实验。实验发现SMAT工艺使得纯铜材料的屈服强度有很大提升,并且在一定的处理时间范围内,其塑性也没有很大损失。另外,对SMAT后的纯铜进行了显微硬度测试,研究发现SMAT工艺使得纯铜材料的表面硬度有很大提升,并且硬度呈现出由表及里逐渐减小的梯度变化趋势。（2）开展了微观表征研究,包括电子背散射衍射（Electron Backscattered Diffraction,EBSD）分析、X射线衍射（X-Ray Diffraction,XRD）分析、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope,SEM）观察、OM观察等。研究发现,SMAT之后纯铜材料的平均晶粒尺寸减小,平均位错密度增大,小角度晶界增多,大角度晶界减少。另外,晶粒尺寸、总位错密度、几何必需位错密度、小角度晶界等都呈现出由表及里的空间梯度分布的趋势。（3）非对称应力控制下的循环实验研究表明,SMAT工艺对于纯铜材料的棘轮应变有抑制作用,并且延长了纯铜材料的疲劳寿命。（4）利用有限元仿真对于SMAT前后纯铜的单拉及循环响应进行了定性的对比分析。研究发现,所使用的考虑梯度晶粒结构材料内部非均匀变形效应的CMSG本构模型能够很好地描述SMAT后材料的单拉变形响应,并且能够定性地反映出SMAT工艺对于棘轮应变演化的抑制作用,模拟结果与实验反映的趋势一致。