广泛应用于微机电系统及器件的微米尺度材料的力学行为明显不同于与块体材料的力学行为。开展微米尺度材料疲劳行为的实验与理论研究，不仅对于微机电系统的可靠性评价具有实际指导意义，且对揭示微尺度材料疲劳机理，发展材料在微尺度下疲劳新理论具有重要的科学意义。本论文选取微米尺度单滑移取向铜单晶作为模型材料，系统地研究了微米尺度铜单晶悬臂梁样品的循环变形行为、位错结构演化以及疲劳性能;通过改进的反应-扩散模型，从理论上分析了微米尺度铜单晶悬臂梁疲劳行为的尺寸效应及非均匀变形条件下塑性应变梯度效应;同时，还针对微尺寸材料的疲劳实验方法与系统进行了改进，并考察了微米尺度轧制镍箔的疲劳性能与疲劳损伤形成机理。　　微米尺度单滑移取向铜单晶悬臂梁的原位弯曲疲劳实验结果表明:相同切应变幅下，薄单晶悬臂梁比厚悬臂梁样品有更强的循环变形局域化倾向;EBSD分析表明，相同切应变幅下，薄悬臂梁样品纵截面上呈梯度分布的几何必要位错密度高于厚悬臂梁样品。　　恒总应变幅控制的微米尺度铜单晶悬臂梁弯曲疲劳实验结果表明:与几百微米厚的单晶悬臂梁样品相比，在相同总应变下，几十微米厚的单晶悬臂梁具有更高的流变应力以及快速循环硬化和迅速发生循环软化的能力。提出了几何必要位错参与的疲劳位错结构形成与演化的理论模型，揭示了在非均匀变形下，微米尺度面心立方单晶悬臂梁循环硬化/软化行为的尺寸效应;发现当悬臂梁厚度小于10μm时，材料基本无循环软化发生。　　基于经典的反应-扩散模型对均匀变形条件下多晶金属疲劳行为的计算模拟结果表明:典型疲劳位错墙结构会在尺寸大于0.91μm的晶粒中形成，在尺寸为0.91μm至0.17μm之间的晶粒中随机出现或出现晶界处，而在尺寸小于0.17μm的晶粒中无法形成。当晶粒尺寸大于1μm时，疲劳位错墙结构的形成周次基本保持不变，而晶粒尺寸小于1μm时，位错墙结构形成周次随晶粒尺寸减小而增加。　　基于塑性应变梯度概念，提出了改进的反应-扩散模型。利用该模型的理论计算表明，随着微米尺度铜单晶悬臂梁厚度的减小，材料循环硬化向循环软化行为转变所需临界塑性切应变幅逐渐降低;当单晶悬臂梁厚度小于10μm时，样品中较大应变梯度产生的高密度几何必要位错抑制了循环硬化后循环软化行为的出现。在相同应变幅下，随着悬臂梁厚度从100μm减小到1μm，材料名义疲劳寿命逐渐降低。　　在微尺度材料疲劳实验技术方面，设计了“U”型双悬臂梁样品，实现了对微米尺度金属悬臂梁疲劳寿命的准确测量;发展了微米尺度悬臂梁原位弯曲疲劳实验系统，解决了微悬臂梁样品中应变分布无法表征的难题;开发了基于EBSD的几何必要位错密度定量分析与计算程序。　　40μm厚轧制镍箔力学性能实验结果表明，微米尺度轧制镍箔TD方向的拉伸性能好于沿RD方向加载的拉伸性能，而RD方向的疲劳性能高于TD方向。疲劳性能差异与晶界面/加载轴夹角、晶界失配角以及晶界两侧晶粒施密特因子差有关。EBSD分析表明，沿TD方向疲劳加载样品中裂纹更容易在晶界失配角大于15°、两边施密特因子差大于0.08的晶界上萌生，而沿RD方向加载样品中，由于晶界上的正应力分量很小或几乎为零，疲劳裂纹均沿滑移带萌生。