基于自然界启示而诞生的梯度结构金属材料,打破了长久以来存在于金属材料领域的阿基里斯之踵——材料强度与韧性之间此消彼长的矛盾关系。梯度结构如何实现“又强又韧”的综合力学性能以及如何提升这种强韧化性能成为了亟待回答的首要问题。更进一步,经表面强化处理的车轴钢S38C的外部强化层与芯部基材区之间存在着具有空间梯度分布的微结构,且表面处理工艺往往会在材料外表层区域引入残余应力场。微观结构的空间变化使不同深度的材料具有显著的力学性能差异,残余应力场的存在也会显著影响结构实际运用过程中的失效行为。如何分析并量化表层强化材料中残余应力分布与梯度结构对其疲劳裂纹扩展行为的综合影响也成为了值得关注的重点问题。基于上述梯度结构材料的相关问题,本文的主要内容如下:首先,针对梯度结构金属材料强韧化机理的相关问题,本文利用基于三维Voronoi多面体的有限元模型,研究了梯度结构材料优良单轴拉伸性能产生的内部机理并讨论了进一步提升其强韧化性能的策略。通过构筑多层晶粒尺寸梯度模型,在仿真层面实现了梯度结构材料“又强又韧”的单轴拉伸性能,给出了梯度结构材料完整变形过程中的应力与塑性应变分布,阐释了具有晶粒尺寸梯度分布的金属材料中细晶区与粗晶区在实现整体优良力学性能过程中所扮演的不同角色;进一步地,基于不同的粗晶体积占比、晶粒细化程度及梯度率,本文详细探讨了提升梯度结构材料强韧化性能的有效策略,大量数值试验的统计结果表明:适当调整梯度结构晶粒尺寸几何信息能够在一定范围内提升梯度结构材料的强韧化性能。其后,基于完备的试验手段,以经过表层感应处理的动车组车轴钢S38C为对象,获得了车轴径向外表层8 mm厚区域内的微结构、显微硬度及单轴拉伸性能沿径向深度方向的空间分布。试验结果表明:表面处理工艺使车轴钢具备了混合型梯度微结构特征,上述微观组织特征使得车轴材料沿径向方向由表及里逐渐呈现出强度、硬度逐渐降低,塑性性能逐渐提升的空间梯度分布特点。此外,利用小试样测定了距车轴表面深度30 mm内的轴向残余应力分布,相关结果表明车轴外表层梯度结构存在着较大的残余压应力分布,且随着深度的逐渐增加,残余应力依次转变为较小的残余拉应力与残余压应力分布。最后,考虑到车轴日常运用中承受的高频次交变载荷,结合车轴表层梯度材料与芯部材料的三点弯试样,开展了梯度结构材料疲劳失效行为的原位试验研究与数值试验研究。原位疲劳试验结果表明:较芯部基材而言,具有表层梯度结构试样的疲劳裂纹萌生寿命有了显著的提升;伴随着疲劳裂纹的逐步扩展,梯度结构材料相对较差的塑性性能加快了其裂纹扩展速率,此时芯部基材试样展现出更低的疲劳裂纹扩展速率。更进一步地,结合梯度材料分层模型与试验测定的关键力学性能参数,开展了梯度结构材料疲劳裂纹扩展行为的数值试验,相关仿真结果表明:相较于芯部基材而言,梯度结构与残余压应力分布都可以使疲劳裂纹尖端区域产生更均匀的应力场以及更小的局部塑性区;此外,利用小范围屈服条件下的循环J积分理论充分阐释了梯度结构与残余应力分布对梯度结构材料疲劳裂纹扩展行为的影响机理。本文采用了与试验、理论充分结合的数值试验方法,系统地研究了梯度结构金属材料的强韧化机理与失效机理,相关研究成果可以被用于指导梯度结构金属材料的定向化性能设计与工程应用。