显微组织纳米化是发展超高强度金属结构材料的重要途径。然而，多数纳米金属通常具有颈缩过早失稳和应变硬化率过快衰减等力学性质缺陷，这已是其迈向工业应用所必须面对的关键技术瓶颈和主要科学问题。近来，利用力学不相容界面梯度化构筑诱发额外应变硬化效应，为突破上述瓶颈问题提供了新思路。本研究工作基于载荷分配、背应力硬化、应变分配和应变梯度等力学不相容性原理，通过四类非均匀纳米晶微结构设计合成，实现力学不相容界面在纳米体材料中的控制构筑，探索利用非均匀力学不相容界面获得优异强韧化效果的技术途径，系统阐释提高纳米金属额外应变硬化能力的微观机理。本研究工作的主要结论是:　　(1)软硬微区结构铁素体钢(AISI405)，具有～1.25倍于粗晶的屈服强度，以及1.1-1.28倍的均匀塑性和1.4-1.7倍的冲击韧性。由高密度应变不相容界面弥散化分布导致的应力状态转变和再结晶晶粒对位错储存的促进，使其应变硬化能力增强，获得强度-塑性-韧性协同提高。　　(2)非均匀层片结构钛(CP-Ti Gread2)，具有0.7-0.9 GPa屈服强度和8.5-12％均匀拉伸伸长率，即同时获得变形态纳米晶的高强度和粗晶的大塑性。在拉伸过程中由软/硬层片界面的叠层、断续和多级耦合所引起的显著背应力硬化，是导致非均匀层片结构应变硬化率和强韧化效果优于均质结构的主要原因。　　(3)复相层片结构高比强度钢(Fe-16Mn-10Al-1C-5Ni)，具有1.2-1.4 GPa屈服强度和18-30％均匀塑性，在变形过程中，奥氏体和B2层片弹-塑性变形导致总应变硬化率先降后升，背应力硬化和应变分配是其主要的变形物理。　　(4) TWIP层片结构高猛钢(Fe-25Mn-3Si-3Al)，具有0.9-1.4 GPa屈服强度和6-30％均匀塑性。TWIP层片组织的瞬态应变硬化行为由变形过程中背应力和有效应力演化共同控制，具有TWIP效应的再结晶层片是宏观应变的要承担者，其通过形变孪生和位错-孪晶交互作用实现宏观应变在软/硬层片间的分配。