疲劳是一种非常普遍的现象,在航空、机械和土木等领域,疲劳断裂均是发生严重事故的重要原因之一。金属材料在使用过程中的疲劳裂纹大多始于表面,很多工程应用只需要改善金属材料的表面性能,就可以提高其整体综合服役性能和使用寿命。因此,具有纳米结构表层和粗晶粒芯层的材料,由于其高的屈服强度、硬度以及耐磨损性能,受到了极大的关注,这也就促进了表面纳米化技术的快速发展。利用表面纳米化技术对传统工程材料进行改良,具有广阔的应用前景。本文以不锈钢304作为实验材料,利用未表面处理的试样以及表面机械研磨纳米化技术处理的试样,开展拉伸、扭转和拉扭复合疲劳实验。实验研究表明,表面纳米化可以有效地提高材料的拉伸、扭转和拉扭复合疲劳寿命。不同的表面机械研磨处理工艺对其疲劳寿命的提高有着不同的效果。不锈钢304在机械研磨纳米化过程中经过3 mm直径小球处理后,其拉伸疲劳寿命在高应力区域提高效果低于2 mm直径小球处理,而在低应力区域的提高效果高于2 mm直径小球处理;经过3 mm直径小球处理后,其扭转疲劳寿命在整个应力区域的提高效果均高于2 mm直径小球处理;对于拉扭复合疲劳测试,随着轴向应力幅值的增加,经过3 mm直径小球处理后的不锈钢304,其拉扭复合疲劳寿命在整个应力区域的提高效果均高于2 mm直径小球处理。本文又从数值仿真的角度,将内聚力有限元法和蒙特卡罗随机分布有效地结合起来,分别研究了材料在拉伸和扭转疲劳载荷下裂纹的萌生和扩展过程。数值研究结果表明,依据本文的实验构型,和均匀材料模型相比,空间随机分布的材料模型可以更加合理地预测材料的破坏模式和疲劳寿命。通过拉伸疲劳数值模拟发现,表面纳米层可以极大地提高材料的疲劳寿命;随着纳米层厚度的增加,材料的拉伸疲劳寿命呈现出降低趋势,尤其是在低应力区域。通过扭转疲劳数值模拟发现,纳米层对于材料疲劳寿命的提高有着显著的效果,纳米层的流应力可以用来区分实验过程中使用不同处理工艺对疲劳寿命的影响;随着纳米层厚度的增加,材料在高应力下的疲劳寿命明显增加;当纳米层的厚度达到60μm时,有很大的概率使得疲劳裂纹的萌生模式发生改变,裂纹开始从内表面萌生,逐渐扩展至外表面,这对疲劳寿命的提高尤为有利。