金属材料的热稳定性和疲劳性能是其在工程应用中的重要考量,两者均与晶粒尺寸密切相关。而晶粒尺寸梯度结构材料由于其较宽的晶粒尺寸范围,为研究尺寸相关的晶粒长大行为提供了理想模型试样。梯度结构金属材料在经历循环变形时,不同尺寸晶粒之间相互约束,有效地抑制了应变局域化,很大程度地提高了试样的疲劳性能（应力疲劳性能和疲劳裂纹扩展性能）。了解梯度结构疲劳失效机制,对优化梯度结构分布,寻找最佳疲劳性能具有指导意义（应力疲劳性能）;探索梯度结构和梯度方向对不同尺寸晶粒疲劳裂纹扩展行为的影响,为设计合理的梯度结构来改善不同尺寸晶粒的抗疲劳裂纹扩展能力提供重要参考依据（疲劳裂纹扩展性能）。本工作采用直流电沉积法,通过精确控制电流密度和添加剂浓度,在厚度高达2.5 mm的金属Ni中实现晶粒尺寸由4 μm至40 nm的梯度变化。基于梯度结构样品具有较宽晶粒尺寸范围的特性,本论文开发了一种准确、快速获取材料晶粒长大临界尺寸的方法。即在给定温度下,通过表征试样退火前后硬度变化可以快速确定晶粒长大临界尺寸。例如,在503 K退火3 h,晶粒不发生长大的临界硬度为3.82 GPa。基于纯Ni的Hall-Petch关系,该临界硬度值对应晶粒尺寸为～95 nm（即为晶粒长大临界尺寸,dc）,该结果与TEM观察的值相当。并且通过改变退火条件（退火时间t和温度R）,可快速获取多个晶粒长大临界尺寸,其随退火温度和时间变化的动力学公式为dc=ktn(k=k0 exp（-Q/RT）,k0和R均为常数。并由此获得了晶粒长大的时间指数n和激活能Q,分别为0.46和107.4 kJ/mol。此外,晶粒长大临界尺寸与梯度结构分布无关,进一步表明采用这一方法获取晶粒长大临界尺寸的可靠性。通过研究梯度结构金属Ni应力疲劳性能发现,随着梯度结构试样拉伸强度的提高,其疲劳强度由450 MPa增加至700 MPa,但疲劳比先由0.58增加至0.76,再下降至0.63。由此获得最佳的疲劳性能:疲劳强度为650 MPa,疲劳比为0.76。观察并统计样品截面滑移带平均高度随归一化距离x的变化关系发现,当样品截面硬度变化率发生改变时,其截面循环变形时存在应力集中较为严重的区域,该区域滑移带平均高度最大,裂纹在此处萌生。当样品截面硬度变化率保持恒定且为1时（硬度:2.30 GPa→3.40 GPa）,截面滑移带分布广泛且均匀,不同位置滑移带平均高度保持恒定,循环变形局域化得到有效抑制,试样具有最优的疲劳性能。通过控制恒定应力强度因子幅值（ΔK）的三点弯曲疲劳实验,系统研究了梯度方向和梯度结构对不同尺寸晶粒疲劳裂纹扩展行为的影响。梯度结构样品的两种扩展方向分别为:裂纹由粗晶（coarse-grained）向纳米晶（nano-grained）扩展记为CG→NG,反之记为NG→CG。当晶粒尺寸小于50nm时,裂纹由CG→NG扩展时具有较低的裂纹扩展速率。这是由于裂纹在CG区扩展时形成的曲折扩展路径和粗糙断口表面,使得当裂纹进入NG区时,出现裂纹闭合现象,降低裂纹扩展的有效驱动力。晶粒尺寸在50nm～1 μm之间时,NG→CG梯度具有较低的裂纹扩展速率。这是由于随着晶粒尺寸的增加,裂纹尖端塑性区尺寸增大,易于发生钝化,应力分布更为均匀。而晶粒在50 nm～1 μm区间内塑性区尺寸变化较大。当晶粒尺寸大于1μm时,具有平缓晶粒尺寸分布的梯度结构裂纹扩展速率较低,这是由于合理的梯度结构可优化裂纹尖端的应力场,使裂纹尖端应力分布更为均匀,从而提高样品的疲劳裂纹扩展阻力。