梯度结构材料在一定程度上可以有效地解决传统材料的强度-塑性“倒置”（trade-off）关系,且呈现出良好强塑性匹配的同时,抗疲劳、表面耐磨及耐蚀性等性能也得到有效的改善。目前梯度结构材料的可控制备、强韧化机制等研究还不够完善,仍需要更深入的研究。本文通过对纯铜在低温下（77 K）进行表面机械研磨处理（Surface mechanical attrition treatment,SMAT）制得梯度结构样品,梯度结构的存在可有效提高材料强度的同时保证塑性的不流失。对纯铜进行不同时间（10 min、30 min、60 min）的SMAT处理,当处理时间低于30 min时,样品表面硬度、梯度层厚度、屈服强度随SMAT处理时间的增长而增大。当处理时间为60 min时,样品的表面硬度、梯度层厚度及屈服强度提升并不明显,即在低温下对纯铜进行表面机械研磨处理存在着强化极限。且SMAT10 min样品表现出最好的强塑性匹配,这与低的可动位错密度的衰减率和较高的应变硬化能力有关,相对可动位错密度呈现先下降后上升的趋势。样品断口形貌表明,梯度结构样品的表层与心部表现出两种不同的断裂方式,而韧性-脆性断裂匹配的方式,使得梯度结构样品在获得高强度的同时,塑性尽可能不降,从而获得高强度-塑性的结合。在拉伸实验时,随着应变速率的增加(从5×10^-4 s^-1到5×10^-2 s^-1),梯度结构样品的可动位错密度增大且应变硬化率增强,强塑性同时提升,其中抗拉强度和均匀延伸率对应变速率更为敏感。通过应变速率突变实验研究梯度结构样品和粗晶样品的应变速率敏感性及其机理,发现应变速率敏感性m值随应变速率的增加逐渐增大,且相比于SMAT10 min和SMAT30 min样品,SMAT60 min样品对应变速率更敏感。粗晶样品对应变速率并不敏感,因此提高应变速率,材料屈服应力并无明显提升。梯度结构样品的高强度由两部分贡献,即晶粒细化和背应力。与粗晶样品相比,梯度结构样品的包申格效应更明显,对应的背应力更大。提高应变速率,梯度结构样品中大量的位错相互作用,导致界面处的几何必须位错堆积,且位错密度增高,进而使得背应力明显提高。