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疲劳性能是工程结构材料的重要使役性能。将金属材料晶粒细化为超细晶或者纳米晶，可提高其应力控制条件下的高周疲劳性能，但也降低了其应变控制条件下的低周疲劳性能。这主要是当晶粒细化到亚微米或纳米级别后，一方面材料的强度将大幅度提高，进而抑制疲劳过程中裂纹的萌生并提高其高周疲劳性能;另一方面材料的塑性降低，造成应变控制循环加载下低周疲劳寿命有所降低。在金属材料上形成梯度纳米结构(GNS)表层，即晶粒大小从材料表面的纳米尺度逐渐增大到芯部的微米尺度，有望在提高强度的同时保持较好的塑性，从而提高其高周和低周疲劳性能。本工作通过表面机械滚压处理(SMRT)在316L奥氏体不锈钢和Z5CND16-4马氏体不锈钢两种材料上形成GNS表层，使用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)等方法表征其微观结构和组织特征，利用显微硬度仪、拉伸实验机和疲劳实验机对比研究粗晶(CG)和SMRT样品的力学性能和疲劳行为，最后通过分析微观结构、组织和力学性能等对材料疲劳性能的影响、探讨SMRT材料的疲劳机理。得出以下主要结论: 1、通过SMRT在316L奥氏体不锈钢上制备出GNS表层。处理后样品的表面粗糙度Ra＜0.2μm，变形层厚度达约800μm，最表层晶粒尺寸细化为～30 nm，纳米层厚度～40μm，显微硬度由基体的1.8 GPa提高到近表层的5.5 GPa。 2、SMRT316L不锈钢样品自基体至处理面的典型微观组织依次为高密度位错和位错亚结构（＞400μm处）、纳米孪晶(300-70μm)、马氏体胞状组织（230-70μm）、片层状马氏体（70-5μm）和等轴马氏体纳米晶（＜5μm）。316L不锈钢在SMRT过程中的晶粒细化机制包括位错运动、形变孪生和马氏体相变。 3、316L不锈钢经SMRT后在应力控制下的高周和低周拉压疲劳性能均大幅度提高。直径为6 mm(SMRT-6)和3 mm(SMRT-3)样品的疲劳极限由CG样品的180 MPa分别提高到320 MPa和420 MPa，在循环周次为1000左右的疲劳强度也较CG样品分别提高了～33％和～50％。此外，SMRT-6和SMRT-3样品的疲劳比也由CG样品的0.32分别提高到0.49和0.56。 4、根据Basquin公式，SMRT样品中疲劳性能的提高与疲劳强度系数和Basquin指数的同时提高相关。GNS层抑制了循环变形过程中的应变局域化，进而抑制疲劳裂纹的萌生并有效协调一定幅度的塑性变形，从而提高了SMRT样品的疲劳性能;此外，奥氏体基体在疲劳过程中诱发的马氏相变也在一定程度上提高了SMRT样品的疲劳强度。大幅度改变GNS层的残余应力状态后SMRT样品的疲劳性能基本不变，说明残余压应力对疲劳性能的提高不起主要作用。 5GNS层晶粒尺寸基本保持不变但有少量碳化物析出，最表层硬度提高到4.4 GPa。 6、SMRT显著提高了马氏体不锈钢的扭转疲劳抗性，疲劳极限从原始样品的300MPa提高到415MPa，经450℃退火后疲劳极限进一步提高至440MPa。S、经过SMRT后，Z5CND16-4马氏体不锈钢上形成厚～150μm的塑性变形层，最表层晶粒尺寸细化到～25 nm，纳米层厚度～20μm，硬度由基体的3.1 GPa提高最表层的4.1 GPa。经450℃退火1小时后，MRT样品疲劳性能的提高主要得益于其表层强硬度的提高、表层组织的均匀化、以及梯度组织的形成。