超细晶与纳米晶金属的强度很高、但均匀拉伸伸长率(＜5％)很低，这归因于其很低的应变硬化能力。梯度纳米结构中，即晶粒尺度呈梯度分布的纳米晶表层(GNsL)附着于粗晶基体(CG)，纳米晶粒可获得很高的均匀拉伸伸长率，但纳米晶粒的长大掩盖了梯度结构变形物理的本征特性;同时，梯度纳米结构可明显提高疲劳极限与疲劳寿命，但疲劳裂纹源位置及其随应力幅值的演化等裂纹萌生特性尚未澄清。研究并回答这两个基本问题，对于揭示梯度纳米金属材料的力学行为具有重要的科学与应用意义。　　 研制了一台金属材料梯度纳米结构制备装置，并利用该装置获得了GNsL/CG结构的拉伸和疲劳样品。通过微结构观察，准静态拉伸、循环应力松弛和旋弯疲劳试验，系统研究并阐明了GNsL/CG结构的拉伸和疲劳力学性能及其微观机理。　　 主要研究结果如下:　　 1.基于塑性应变可在晶粒内部累积、传递、并诱导晶粒细化的原理，研制了一台实现金属表面纳米化的样机，设计了圆柱型机械碾磨(mechanical grinding)工具、抗挠曲机构和液氮冷却系统，可在小直径((φ)2 mm)试样表面加工梯度纳米结构表层(厚度范围300-500μm);通过工艺控制，成功制备出了具有梯度纳米结构的拉伸和疲劳试样。　　 2.利用光学、扫描和透射电子显微镜观察了GNsL的微结构特征，分析了晶粒细化过程。在靠近基体的区域，微结构特征为高密度位错墙和位错胞，随应变增加逐渐形成小角边界的变形带;在距表层5～30μm范围内，为以大角晶界为主、宽度为200～500 nm的超细晶条带;随塑性变形的继续进行，最后在最表层～5μm范围内，形成取向随机分布、晶粒尺度在～100 nm的等轴状纳米晶。梯度纳米表层的总厚度为300-500μm。该结果表明，随着累积应变的不断增加，位错胞和位错墙不断演化、分割原始粗晶是梯度纳米结构晶粒细化的主要机制。　　 3.对梯度纳米结构铁(梯度层厚度350μm)进行了室温准静态拉伸测试，屈服强度为240MPa，是粗晶的两倍，均匀拉伸伸长率相比粗晶降低了～30％，为0.19，表明GNsL中的纳米晶粒经历了0.19的均匀塑性变形。在应变硬化率-真应变曲线中，存在一个临界应变值，大于该临界值时，GNsL/CG-Fe相比CG应变硬化率随应变增加缓慢降低。循环应力松弛实验表明，GNsL/CG-Fe中可动位错密度随拉伸应变的增加而增大，表观激活体积与物理激活体积随应变的增加而保持不变，表明纳米晶粒中可以不断形成可动位错。可动位错的形成和增殖使梯度纳米表层获得应变硬化能力，从而抑制了梯度纳米表层的颈缩倾向，实现了高的均匀拉伸伸长率。　　 4.利用旋弯疲劳实验，研究并对比了不同梯度层厚度的梯度纳米结构铁和均质粗晶铁的疲劳性能。获得了载荷寿命曲线，梯度纳米结构铁(梯度层厚度350μm)的疲劳极限分别为～252 MPa，与均质粗晶相比，提高了47％。疲劳裂纹萌生位置观察表明，高应力幅值条件下裂纹源萌生于表面，随着应力幅值的降低逐渐向梯度结构内部转移。内部疲劳裂纹的观察表明，裂纹源萌生于晶界。而粗晶样品的疲劳裂纹均萌生于表面。显微硬度测试表明，当疲劳裂纹萌生于表面时，梯度结构表层发生了循环软化行为;当疲劳裂纹萌生于内部时，梯度结构的亚表层则为循环硬化，而表层硬度没有变化。根据以上结果，提出不断抑制表层疲劳损伤累积是裂纹源逐渐向内部转移的主要原因。　　 利用量纲分析研究了影响梯度纳米结构疲劳性能的关键参量，分别为载荷与屈服强度的比值、表层硬度与基体硬度的比值、梯度层厚度与试样总厚度的比例，以及硬度的梯度分布。建立了梯度纳米结构旋弯疲劳极限的分析方法。