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具有梯度结构的材料可以在相当程度上解决材料强度-塑性匹配关系,在提高材料强度的前提下还能较好的保持材料的塑性。此外,由于梯度结构的独特性,还具有很好的表面耐磨性、抗疲劳等特性,因此在近些年受到了许多关注。但是,目前在有关梯度结构材料的制备、梯度结构材料的力学性能与微观组织以及变形过程中的力学行为等方面的相关研究还不够系统,依然存在许多问题。本文采用表面机械研磨处理(Surface mechanical attrition treatment,SMAT)方式在不同层错能的铜锗合金中制备具有梯度结构层(Gradient structure,GS)的试样。通过对铜锗合金(Cu-0.1 at.%Ge、Cu-5.7 at.%Ge和Cu-9.0 at.%Ge)在低温(77 K)下进行表面机械研磨处理,获得具有梯度结构的铜锗合金样品。经实验分析表明,梯度结构的存在极大的提高了材料的强度,并在相当程度上保存了塑性。透射电镜(transmission electron microscope,TEM)观测分析表明,经过表面机械研磨处理后的样品中,中等层错能(54 mJ/m~2)的Cu-0.1 at.%Ge合金表层具有大量的位错缠结(Dislocation tangles,DTs)与位错胞(Dislocation cells,DCs),未观察到孪晶。较低层错能(15 mJ/m~2)的Cu-5.7 at.%Ge合金中观察到大量密集的孪晶结构,在低层错能(8 mJ/m~2)的Cu-9.0 at.%Ge合金中处了少量孪晶外还观察到大量密集的堆垛层错。拉伸实验表明,经过处理的样品中,Cu-5.7 at.%Ge合金表现出了最佳的强度-塑性匹配,其屈服强度提升至退火样品的三倍以上且是所有合金中提升最为明显的,同时很好的保存了塑性。Cu-9.0 at.%Ge合金虽然屈服强度仅为退火试样的两倍左右,但其保持了90%以上的塑性。而Cu-0.1 at.%Ge合金样品虽然屈服强度提升明显,但塑性降低程度相对要高。分析表明,屈服强度的提升主要是由梯度结构层贡献的。包辛格实验显示,经过表面机械研磨处理后样品的背应力要高于退火态样品,Cu-5.7at.%Ge合金样品梯度层具有的背应力最高。背应力主要由几何必须位错(Geometrically necessary dislocations,GNDs)产生,EBSD数据表明,Cu-5.7 at.%Ge合金表层GNDs密度最高,与包辛格结果吻合。均匀延伸率会受到变形过程中动态回复及孪晶、层错等结构的影响。应力松弛实验结果表明,经过表面机械研磨处理后的Cu-9.0 at.%Ge合金样品的可动位密度变化与退火态样品基本一致,即位错湮灭速率与退火样品基本一致。因此,样品保留了最佳的塑性。