制备纳米晶与超细晶微观组织的根本目标是希望在这类材料中获得高的屈服强度和塑性(即塑性失稳前的拉伸均匀伸长率)匹配。然而，这类材料的强度和塑性通常成倒置关系，即强度高但塑性差(均匀伸长率一般小于5%)，这一特点限制了纳米晶与超细晶组织的结构应用。提高加工硬化能力，抑制早期塑性失稳是提高均匀拉伸伸长率的有效途径。迄今，已报道了多种提高应变硬化、均匀塑性的策略，例如在均质纳米晶或超细晶微结构中引入纳米孪晶、析出相/第二相，形成晶粒尺度的双峰/多峰分布，以及发生塑性变形诱导的相变/孪生变形等。最近的研究表明，晶粒尺度呈现梯度分布的纳米晶结构(GNS, gradient nanograined structure)是提高纳米晶塑性的新颖途径，然而对梯度结构的屈服机理与应变硬化机理的研究还不深入。所以，研究并揭示多尺度晶粒结构的力学行为、加工硬化以及微观结构机制，具有重要的科学意义和应用价值。本文选取商业纯镍(Ni＞99.6%)作为模型材料，利用塑性变形技术制备了两种纳米晶结构，即利用表面机械研磨处理(SMAT)获得晶粒尺度为梯度分布的纳米晶结构，利用等通道角挤压(ECAP)+退火获得软/硬微区的复合微观结构；通过准静态单轴拉伸测试、显微硬度测试和循环应力松弛测试等，研究和分析塑性变形行为和力学性能；利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行微观结构表征，最后分析并阐明了两种微观结构的塑性变形机理和应变硬化机理。论文的主要结论如下：1.利用SMAT技术获得了GNS-Ni。准静态拉伸实验结果表明，GNS-Ni的屈服强度取决于梯度层的硬度及其分布，GNS-Ni的屈服强度范围在260-450MPa之间，为粗晶Ni (70MPa)的4-6倍；相比CG-Ni45%左右的均匀塑性，GNS-Ni的均匀塑性为13%-35%。观察到GNS-Ni存在四种屈服现象，即1)连续屈服(continuous yielding)，即变形时应力不断增加，产生连续的应变硬化；2)瞬态应变硬化(transienthardening)，即材料屈服后，应力缓慢上升，应变硬化率产生平台，最终进入连续的应变硬化；3)屈服点(yield point)，即进入塑性变形后，出现应力降低，但材料不失稳，在很小的应变范围内应力上升，重新获得应变硬化能力；4）屈服降(yield drop)即进入塑性变形后，出现应力降低，材料迅速失稳断裂，无应变硬化能力。其中，首次在梯度结构材料中观察得到屈服点现象。拉伸变形前后的显微硬度测试结果表明，拉伸前材料整体呈硬度梯度分布，表层硬度高，心部硬度低。拉伸后材料整体硬度均得到提升，但心部硬度的上升高于梯度表层，因此，梯度表层和心部硬化能力的适当保留，使梯度样品获得了良好的强度-塑性匹配。循环应力松弛实验结果表明，相比粗晶(CG, coarse grain)在变形过程中可动位错密度逐渐降低，yield point的梯度结构在变形过程中可动位错密度的趋势为先下降后上升，结合经典的位错理论分析可知，梯度结构在拉伸变形的过程中，可动位错不断形成且密度不断增加，产生加工硬化，有效抑制材料的变形局部化，从而提高均匀塑性。2.利用ECAP技术对1道次制备了超细晶Ni，透射电子显微镜观察结果表明，原始超细晶镍具有层片状结构特征，片层厚度约为300-500nm。对ECAP挤压后样品进行不同温度、不同时间的退火处理。准静态拉伸实验结果表明，原始UFG-Ni的屈服强度为570MPa，为粗晶的近6倍，但只有1%的均匀拉伸伸长率。经427℃54h退火后，屈服强度与原始超细晶相比几乎保持不变，却获得了5%的均匀拉伸伸长率。477℃8h退火后，材料的屈服强度降为320MPa，但获得了17%的均匀拉伸伸长率，具有良好的综合力学性能。电子背散射衍射和透射电子显微镜观察结果表明，两种退火制度均使材料获得了软-硬微区结构，再结晶晶粒呈岛状分布于变形态晶粒中。477℃8h退火组织，再结晶晶粒尺寸(＞10μm)和体积分数较大(50%左右)；427℃54h退火组织，再结晶晶粒体积分数较小（10%左右）。材料获得良好的力学性能与变形过程中软区和硬区间的应变分配有关。