随着现代工业技术的不断发展,对零部件材料性能的诉求日益提高。由于零部件的失效一般发生在材料表面,故而表面强化技术成为一种有效的延寿方法。其中表面机械强化可以通过细化晶粒在保证韧性的基础上大幅度提高其强度,从而延长零部件使用寿命。但在高温环境下强化组织往往处于不稳定状态,因此在高温环境下组织的演变及残余应力分布变化需要进行进一步分析。本文通过一种新型表面自纳米化方法一一表面深滚处理,在纯钛(TA2)与纯镍(N4)表面制备出晶粒尺寸小于500nm的超细晶梯度结构,并对材料表面微观组织结构、残余应力分布及力学性能进行了研究,分析其表面完整性变化及热稳定性。研究结果表明：(1)经过表面深滚处理,材料表层及次表层发生剧烈塑性变形,位错大量产生,晶粒明显细化,出现大量超细晶乃至纳米晶组织。(2)由于晶体结构的区别,纯钛与纯镍细化机制有所不同,纯钛主要依靠孪晶组织对原始晶粒进行分割形成小角度晶界,而纯镍中位错组织的演变占主导作用。小角度晶界向大角度晶界演变主要依靠连续动态再结晶。(3)滚压后组织表面形成具有一定厚度的残余压应力场,与原始材料相比处理后表面组织硬度提高,通过合理选择滚压参数,其细化层厚度、硬度、表面粗糙度及残余应力分布均得到不同程度改善。(4)在高温环境下深滚处理产生的残余应力会不断释放,晶粒尺寸也发生改变。