梯度微观结构对金属材料的强化理论可应用于可应用于指导工作于极端工况,有更高强度和塑韧性,抗冲击性能等要求的轴类零件材料的制造以及轻量化,通过引入各类梯度和孪晶微观结构,可以有效形成外表面高强度,心部高塑形的差异化力学性能分布,充分利用材料在零件不同区域的最优性能,同时与其他强韧化方法结合,进一步提高工程材料的力学性能。本文以纳晶镍薄膜为对象,通过分子动力学模拟研究了晶粒梯度、孪晶梯度以及二次孪晶对纳晶镍薄膜力学性能和变形机制的影响。具体工作和成果如下:（1）在均匀纳晶镍模型中,随着平均晶粒尺寸的减小,裂纹形核越晚扩展越小;在梯度纳晶镍中,随着晶粒梯度的增加,裂纹形核越早扩展越严重。这主要是由于晶粒尺寸以及梯度较小的模型晶界原子应力应变较小。（2）研究了在拉伸和压缩载荷下梯度纳晶镍的力学性能和变形机制。发现梯度纳晶镍薄膜梯度结构影响着模型内部的位错运动,进一步影响着材料的平均流动应力,使其展现出从反HP到HP关系过渡的趋势。（3）研究了纳米孪晶梯度对梯度纳米孪晶镍压缩行为的影响。结果表明,梯度纳米孪晶镍的强度随着纳米孪晶梯度先上升后下降,上升是由于退孪晶和孪晶迁移软化效应的减弱,但应变梯度的弱化导致强度在上升之后逐渐降低。（4）研究了二次纳米孪晶镍薄膜在拉伸和压缩载荷下的力学性能。研究结果表明,二次孪晶厚度较小的二次纳米孪晶镍模型内部退孪晶现象随着梯度的增大而减小,增强了强度;二次孪晶厚度较大的模型内部位错运动比较丰富且密度相近,导致应力值也较为平稳。