约90%的金属结构件在服役过程中发生疲劳失效,提高金属材料的抗疲劳损伤性能对保障其安全服役具有重要意义。传统均匀结构金属材料普遍表现出高周疲劳强度和低周疲劳寿命的倒置关系,这与其拉伸强度-塑性的倒置及循环塑性应变局域化密切相关。粗晶（CG）材料疲劳极限低,但疲劳寿命高,而超细晶（UFG）材料疲劳极限明显提高,但疲劳寿命有限。梯度纳米晶（GNG）结构是一种表面纳米晶逐渐过渡到芯部粗晶的晶粒尺寸呈空间梯度分布的特殊结构,表现出良好的强塑性匹配和优异的高低周综合疲劳性能。这种多尺度非均匀结构的微观结构参数众多,如梯度纳米晶体积分数、芯部微观结构、梯度顺序及结构梯度大小等,然而,复杂结构参数对疲劳性能及循环变形行为的影响规律目前还不清楚。此外,梯度纳米材料的疲劳研究多集中在对称拉-压加载条件下,而实际服役中更普遍发生的非对称疲劳行为也不清楚。本工作利用表面机械碾磨处理制备了三类梯度纳米晶纯Cu样品,系统研究了梯度纳米晶表层体积分数和芯部基体微观结构对梯度纳米晶Cu疲劳性能和循环变形的影响,以及梯度纳米晶/粗晶（GNG/CG）Cu的非对称拉-压高周疲劳行为。主要结果如下:1.梯度纳米晶体积分数对GNG/CG Cu疲劳行为的影响规律在CG基体上可控制备出GNG表层体积分数分别为4.3%和13%的GNG/CG Cu样品。单向拉伸实验表明,随GNG表层体积分数的增加,屈服强度从123 MPa增加到144 MPa,但抗拉强度基本保持不变（～246 MPa）。应力控制高周疲劳研究发现,随GNG表层体积分数的增加,高周疲劳极限由88 MPa提高到98 MPa;梯度纳米晶表层发生异常晶粒长大,并且随GNG表层体积分数的增加,异常晶粒长大的发生、异常晶粒长大向表面的扩展及表面疲劳裂纹的萌生均被推迟,提高了高周疲劳寿命。总应变控制低周疲劳研究发现,当GNG表层体积分数增加时,初始响应应力幅提高,但低周疲劳寿命基本保持不变（约为CGCu的两倍）。梯度纳米晶表层发生均匀晶粒长大,有效抑制了塑性应变局域化和表面粗糙化,但GNG表层体积分数对长大晶粒尺寸及表面损伤程度影响较小。2.GNG/CG Cu的载荷控制非对称拉-压高周疲劳行为GNG/CG Cu在载荷控制的具有拉伸平均应力的非对称拉-压高周疲劳中表现出较CG Cu显著提高的疲劳极限和疲劳寿命。在相同应力幅下,随应力比的增加,GNG/CG Cu的疲劳寿命逐渐下降。GNG/CG Cu在非对称疲劳中发生明显的循环棘齿,即随着循环周次的增加,样品逐渐被拉长。但相比于CG Cu,GNG/CG Cu的循环棘齿应变明显减小。非对称高周疲劳中明显提高的最大应力导致GNG表层整体屈服,发生均匀晶粒长大,不同于对称高周疲劳时发生的异常晶粒长大。随循环棘齿的发生,真实最大应力进一步提高,微观塑性应变前沿向表面动态迁移。非对称疲劳中减小的压缩应力降低了循环塑性应变。3.芯部位错胞结构对梯度纳米晶Cu疲劳行为的影响利用拉拔处理和SMGT获得亚微米尺度位错胞的芯部结构及梯度纳米晶的表面结构,得到GNG/DC Cu样品。单向拉伸实验表明,其屈服强度为365 MPa,明显高于GNG/CG Cu,但基本没有加工硬化能力。应力控制高周疲劳研究发现,GNG/DC Cu的高周疲劳极限为150 MPa（相比于GNG/CG Cu提高了 53%）,疲劳比为0.4（与GNG/CG Cu相当）。异常晶粒长大协调了 GNG表层的循环塑性应变,但高强度DC基体显著推迟了 GNG表层异常晶粒长大的发生,进而推迟了表面疲劳裂纹萌生,提高了高周疲劳极限和疲劳寿命。总应变控制低周疲劳研究发现,GNG/DC Cu发生循环软化,由芯部位错胞和表面梯度纳米晶的均匀长大共同决定,而剪切带或异常晶粒/位错胞长大等严重局域化变形被有效抑制。GNG/DC Cu的循环应力幅明显高于GNG/CG Cu,低周疲劳寿命略低于GNG/CG Cu,优于DC Cu。本论文系统研究了梯度纳米结构参数（梯度纳米晶体积分数、芯部微观结构）和疲劳模式（应力/应变控制、对称/非对称加载）对梯度纳米结构Cu疲劳性能和循环变形机理的影响,为调控梯度结构以制备抗疲劳纳米结构金属提供指导。