本发明公开了一种提高金属材料力学性能的循环扭转加工工艺，属于金属材料强化技术领域。具体是通过对金属棒材、管材或板材样品施加小角度循环往复扭转变形，通过在金属材料表面至内部产生梯度分布的剪切塑形应变，从而引入梯度分布的位错和纳米孪晶等变形微结构，并且保留原始态的粗晶结构。其中，扭转角振幅介于2度和30度之间，循环扭转周次介于2和200之间。与相同成分的均匀粗晶结构相比，经过循环往复扭转工艺处理后的金属材料的屈服强度提高1.5倍以上，并且具有与粗晶相当的均匀塑性。利用本发明在原始粗晶中获得具有梯度分布微结构具有高强度和良好塑性匹配。