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316L奥氏体不锈钢由于其优异的耐腐蚀性能和良好的塑性变形能力等特点,广泛应用于医药、化工、生物体植入以及核能等领域,但其疲劳性能较低。已有工作表明,将金属材料晶粒细化为纳米晶或超细晶,可提高其应力控制下的疲劳性能,但往往由于其低的塑性变形能力降低了应变控制下的疲劳性能,并由于提高材料的活性而降低其耐腐蚀性能。通过在金属材料上制备一层梯度纳米结构(Gradient nanostructure,GNS)表层,有望在提高其强度的同时保持良好的塑性,从而同时提高材料在应力和应变控制下的疲劳性能。本工作通过发展温度可控的表面机械滚压处理(Surface mechanical rolling treatment,SMRT)在 316L 不锈钢上制备出晶粒尺寸和相组成可控的GNS表层,研究了 GNS样品在应力和应变控制下的疲劳性能及机理,并研究了 GNS层中晶粒尺寸和相组成对应变控制下疲劳性能的影响及机理。另一方面,通过将SMRT与热处理相结合,调控了 GNS表层的微观结构、成分和相组成,提高了 316L不锈钢的耐腐蚀性能。所取得的主要结论如下:1)通过加工温度为280℃的控温SMRT(W-SMRT),抑制了 316L奥氏体不锈钢在形成GNS表层过程中的形变诱导马氏体转变。所制备的全奥氏体相GNS层厚度为800μm,晶粒尺寸在最表层为45 nm且随深度增大逐渐增大。2)拉压疲劳性能的研究表明,GNS 316L不锈钢在应力和应变控制条件下的疲劳性能均显著提升。在应力控制条件下,疲劳强度大幅提升,疲劳极限由粗晶(CG)样品的180 MPa提高为GNS样品的320 MPa;在应变控制条件下,GNS样品的疲劳寿命也显著提升,0.1%塑性应变幅时,疲劳寿命比CG样品的提高20倍左右。与之相比,等通道转角挤压制备的纳米晶样品虽然在应力控制下的疲劳强度大幅提升,但在0.1%塑性应变幅控制下的疲劳寿命只有CG样品的15%左右。3)对循环加载过程中的结构演化和疲劳机制分析表明,GNS层一方面提高了316L不锈钢的强度并有效协调一定幅度的塑性变形、另一方面促进了奥氏体基体中形变诱导马氏体的形成,从而抑制了疲劳裂纹的萌生和扩展,造成材料在应力和应变控制下疲劳性能的同时提升。4)通过改变W-SMRT的加工道次和温度,制备出最表层平均晶粒尺寸为80 nm的全奥氏体相GNS样品(W-SMRT-2)、以及最表层晶粒尺寸为45 nm且含有大量形变诱导马氏体相的GNS样品(RT-SMRT),进一步提升了 316L不锈钢在应变控制下的疲劳性能。在0.5%总应变幅下,GNS样品的疲劳寿命由前述W-SMRT样品的7.0×103周次提高为W-SMRT-2样品的1.1 × 104周次以及RT-SMRT样品的2.3×104 周次。5)随着退火温度的升高,室温SMRT(RT-SMRT)样品表层中的马氏体相逐渐转变为奥氏体相,并发生Cr的表面富集和Cr-C化合物析出。样品经700℃退火后(RT-SMRT700),其最表层由平均尺寸为150 nm的奥氏体晶粒和100 nm的M23C6析出相组成。分析表明,一方面Cr的表面富集有利于降低Fe-Cr-Ni合金的表面自由能,另一方面纳米结构表层中大量存在的晶界提高了 Cr的迁移速率,从而促进了 GNS样品上Cr的表面富集和Cr-C化合物析出。6)与CG样品相比,RT-SMRT700样品的耐腐蚀性能和力学性能显著提升。在3.5 wt.%NaCl溶液中的极化曲线测量表明,RT-SMRT700样品的维钝电流密度约为CG样品的1/9。拉伸实验表明,RT-SMRT700样品的屈服强度由CG样品的212 MPa提高至320 MPa,并保持57%的均匀延伸率。分析表明,RT-SMRT700样品耐蚀性和力学性能的提升主要得益于退火后Cr在表层的富集和GNS结构特征的保持。