均匀细化晶粒尺寸至超细或纳米尺度能显著提高金属材料的强度，但其塑性和加工硬化能力却明显降低。与强度-塑性倒置关系类似，纳米结构金属材料的强度-疲劳性能（尤其是应变控制下的低周疲劳寿命）也具有明显的倒置关系，这主要是由强度-塑性不匹配及疲劳变形过程中塑性应变的局域化造成的。近期研究表明，在金属材料表面制备梯度纳米结构(GNG)表层，即晶粒尺寸从表面的纳米尺度逐渐增大到芯部的微米尺度，可显著提高强度，同时其塑性与粗晶基体相当，具有较好强度-塑性匹配。有关表层梯度纳米结构的疲劳研究主要集中在应力控制高周疲劳性能上，结果表明表层梯度纳米结构的引入确实可显著提高材料的高周疲劳性能。然而截至目前，有关表层梯度纳米结构金属综合疲劳性能尤其是应变控制低周疲劳性能、循环变形和疲劳损伤机制的深入研究亟待开展。　　本工作通过表面机械碾磨处理技术制备了表层梯度纳米晶铜(GNG/CG Cu)样品，系统研究了GNG/CG Cu应变控制高周和低周疲劳性能、循环塑性变形及疲劳损伤机制。主要结果如下:　　1.利用表面机械碾磨处理技术，在液氮气氛温度下，制备出表面粗糙度低(Ra＜0.3μm）的GNG/CG Cu样品，满足疲劳实验要求。微观结构（晶粒尺寸）沿深度方向呈空间梯度分布，由表面至芯部分别为纳米晶层(距表面0-20μm)、超细晶层(距表面20-220μm)、变形粗晶层(距表面220-600μm)和未变形的粗晶基体。单向拉伸实验表明，GNG/CG Cu具有优异的力学性能，屈服强度为142MPa，同时均匀延伸率达29.5％。　　2.应变控制低周疲劳实验表明GNG/CG Cu具有优异的低周疲劳性能。　　(1)应变疲劳时，GNG/CG Cu经过初始短暂的循环硬化阶段便进入并保持循环稳定，明显不同于超细晶Cu的循环软化。相同应变幅时，GNG/CG Cu的应力幅明显高于粗晶Cu，疲劳寿命约为粗晶Cu的两倍，打破了纳米结构金属应变控制低周疲劳寿命远低于粗晶金属疲劳寿命的局限。　　(2)GNG/CG Cu在总应变幅为0.5％疲劳时，芯部粗晶首先发生循环塑性变形，位错快速增殖，而表面GNG层由于强度较高却处于弹性变形阶段。随着疲劳周次增加，芯部粗晶由于位错包等结构的形成而逐渐硬化，塑性应变减小，而表面GNG层的塑性应变逐渐增加，纳米晶和超细晶发生了明显的均匀晶粒长大，表明塑性变形逐渐从芯部粗晶转移至表面GNG层。疲劳失效时，GNG/CG Cu梯度结构消失，形成了各层特征结构尺寸基本相当的均匀结构，其中原始GNG层为随机取向等轴晶粒，尺寸约为1μm，晶粒内部位错密度很低，与传统超细晶和纳米晶疲劳过程中的剪切带和异常晶粒长大行为截然不同，在芯部粗晶中观察到等轴的位错胞结构，其尺寸也接近1μm。　　(3)疲劳过程中，梯度纳米结构层的循环软化和芯部粗晶的循环硬化共同导致了GNG/CG Cu的循环稳定现象。疲劳过程中塑性应变的传递和表面GNG层均匀晶粒长大机制有效抑制了应变局域化和推迟疲劳裂纹萌生，使GNG/CG Cu表现出优异的低周疲劳性能。　　3.高周疲劳实验表明GNG/CG Cu具有优异的高周疲劳性能。　　高周疲劳实验表明GNG/CG Cu在107周次时的疲劳极限高达98MPa，约为CG Cu的2倍。GNG/CG Cu在高周疲劳过程中，首先在亚表层超细晶中出现异常晶粒长大，并逐步向表层纳米晶扩展。异常晶粒长大至表面后，内部的位错活动和位错组态的形成导致表面挤出/侵入疲劳特征的形成和疲劳裂纹的萌生。这主要由于在较小应变幅疲劳时，亚表层超细晶，特别是具有较软取向的晶粒发生塑性变形引起。高强度的梯度纳米结构和亚表层异常晶粒长大行为有效推迟了疲劳裂纹的萌生，提高了GNG/CG Cu高周疲劳性能。　　4.GNG/CG Cu同时具有优异的高周疲劳极限和低周疲劳寿命，打破了传统均匀粗晶和纳米结构金属高低周疲劳性能的倒置关系。　　随着总应变幅的减小(△εt/2=0.55％-0.08％)，表面GNG层由均匀晶粒长大逐渐转变为亚表层异常晶粒长大和微观结构稳定，这主要取决于表面GNG层中塑性应变的大小及分布。疲劳过程中，这三种循环变形模式都能够抑制表面疲劳裂纹的萌生，有效提高了综合疲劳性能。　　5.分析了残余应力对GNG/CG Cu综合疲劳行为的影响。表面机械碾磨处理制备过程在表面GNG层引入残余压应力。在应变控制高周疲劳时，GNG层残余压应力的存在提高了GNG/CG Cu的高周疲劳寿命，并使GNG/CG Cu表现出明显的拉伸压缩不对称性（拉伸响应应力明显小于压缩响应应力）。随疲劳周次增加，表层残余压应力逐渐释放，拉伸压缩不对称性逐渐减弱。在低周疲劳时，表层残余压应力在疲劳初期(100周内)便快速释放，对循环应力水平、疲劳寿命和均匀长大机制不产生明显影响。