纳米孪晶金属材料由于具有优异的综合性能，如高强度、良好塑性和加工硬化能力及高导电性等，引起材料学家的广泛关注。目前，大量实验和计算机模拟主要集中在单向载荷作用下纳米孪晶金属的力学性能和塑性变形机制的研究，而涉及纳米孪晶金属在循环交变载荷作用下高周疲劳性能和循环变形机制研究仍十分有限。尤其是块体纳米孪晶金属制备困难（样品厚度较小），有关应变控制下纳米孪晶金属的低周疲劳性能（如低周疲劳寿命、循环应力/应变响应）和变形损伤机制研究根本无法开展。本工作拟探索块体纳米孪晶金属制备技术并系统研究了择优取向纳米孪晶Cu高周疲劳性能、低周疲劳性能以及循环塑性变形和疲劳损伤机制。主要研究结果包括:　　1、利用直流电解沉积技术成功制备出块体择优取向纳米孪晶Cu样品。样品由沿沉积方向生长的柱状晶构成，晶粒内包含高密度垂直于生长方向的纳米尺度孪晶片层。通过改变电解沉积参数，可实现晶粒尺寸和孪晶片层厚度的可控调节。　　2、拉-拉应力控制高周疲劳实验表明择优取向纳米孪晶Cu具有优异的高周疲劳性能和独特循环变形机制:　　(1)纳米孪晶Cu的高周疲劳性能相对于粗晶Cu有很大提高。例如，纳米孪晶Cu在107周次时疲劳极限(σmax)为162 MPa，相对粗晶Cu提高了47％;　　(2)纳米孪晶Cu的循环变形行为具有类似于单晶的循环变形特征:由于循环载荷方向与大部分孪晶面平行，孪晶片层内单滑移系贯穿位错（滑移面与孪晶面倾斜且滑移方向与孪晶面平行）优先启动。贯穿位错在孪晶/基体片层内滑动，主导循环塑性变形并在样品表面和截面分别形成和载荷方向成45度的滑移带迹线和跨过大量孪晶界的“Z”字型滑移带，不同于粗晶Cu疲劳表面的挤出/侵入形貌。　　(3)贯穿位错在纳米尺度孪晶片层内受限滑移提高了纳米孪晶Cu的高周疲劳寿命和疲劳极限。此外，纳米孪晶片层内较少的位错锁和缠结结构以及表面较小的滑移带台阶都有效降低了晶内和样品表面的应力集中，推迟了疲劳裂纹的萌生，也有利于疲劳寿命的提高。　　3、通过塑性应变和总应变控制的拉-压疲劳实验研究了择优取向纳米孪晶Cu的低周疲劳性能，主要结果如下:　　(1)塑性应变幅控制下，纳米孪晶Cu经过短暂循环硬化，便达到循环稳定状态，不同于超细晶Cu应变控制疲劳时的连续循环软化现象。主要原因为纳米孪晶片层单滑移贯穿位错的启动以及循环塑性变形过程中相对稳定的晶界和孪晶界结构。　　(2)外加塑性应变幅和微观结构参数（如孪晶片层厚度和晶粒尺寸）显著影响纳米孪晶Cu的低周疲劳性能:应变幅越大，饱和应力幅越高;孪晶片层厚度越小，饱和应力幅也越高;晶粒尺寸越大，低周疲劳寿命越长。纳米孪晶Cu同时具有优异的高周与低周疲劳性能，突破了传统粗晶和超细晶/纳米晶金属材料在高周和低周阶段疲劳性能的倒置关系。　　4、研究了择优取向纳米孪晶Cu应变控制拉-压循环变形和疲劳损伤机制:　　(1)在应变控制(Δεpl/2=3.16×10-3)下，纳米孪晶Cu样品中仅有10％的晶粒发生塑性变形，内部存在高密度位错。根据TEM双束条件下位错消光规律，确定这些位错为单滑移贯穿位错。随着循环周次增加，位错密度基本保持不变，约为1014 m-2。纳米孪晶金属内恒定的位错密度主导了纳米孪晶Cu的循环稳定。　　(2)在发生严重塑性变形的晶界附近，观察到退孪生以及位错胞结构的出现。但退孪生机制尚不清楚。　　(3)疲劳裂纹主要在晶界萌生并沿晶界扩展。在疲劳裂纹萌生、扩展以及裂纹尖端附近均发现大量退孪晶区域。退孪生本身能承担大量塑性应变并有助于缓解裂纹附近及尖端的应力/应变集中，从而降低疲劳裂纹扩展速率，最终提高纳米孪晶Cu的疲劳寿命。