304奥氏体不锈钢作为应用最广泛的不锈钢,具有价格低廉,耐腐蚀性以及热加工性能优异等优点,广泛应用于建材、汽车船舶配件制造等领域。然而304不锈钢的强度较低且疲劳性能差,限制了其在更复杂工况中的应用。传统的细晶强化、第二相强化可提高奥氏体不锈钢的强度以及高周疲劳性能,但细晶强化导致材料塑性的降低使其低周疲劳性能较差,而强化相与基体之间的变形不协调往往导致疲劳时发生较严重的变形局域化。研究表明,纳米孪晶结构具有优异的稳定性,通过引入纳米孪晶奥氏体晶粒可以有效提高材料的强度和塑性;此外,梯度纳米结构具有优异的抗变形局域化能力,通过引入梯度纳米结构同样可有效提高材料的强度且不严重损失材料的塑性。然而,多尺度纳米结构能否提高如304不锈钢这类工程材料的疲劳性能以及相关的疲劳机制尚不清楚。本工作通过动态塑性变形以及循环扭转方法制备出两类多级纳米结构304奥氏体不锈钢,系统研究了其疲劳性能及机理,主要研究结果如下:1、通过动态塑性变形方法及退火工艺制备出纳米孪晶/位错结构和纳米孪晶/再结晶两类混合结构304奥氏体不锈钢,研究其应力控制拉-压高周疲劳性能及机制:纳米孪晶/位错和纳米孪晶/再结晶混合结构304不锈钢中纳米孪晶晶粒的体积分数均为30%。纳米孪晶/位错混合结构样品的屈服强度及抗拉强度分别为928 MPa和1312 MPa,均匀延伸率约为1.5%。经过退火处理得到的纳米孪晶/再结晶混合结构样品屈服强度及抗拉强度均显著降低,分别为522 MPa和936 MPa,但其均匀延伸率显著提高至34%。应力控制的高周疲劳试验结果表明,退火后得到的纳米孪晶/再结晶混合结构样品的强度虽然低于纳米孪晶/位错混合结构样品,但其疲劳极限却由300 MPa提高至330 MPa,疲劳比由0.23提高至0.36,表现出与传统高周疲劳时材料疲劳强度与抗拉强度相关的Basquin关系不同的疲劳特性。结构观察表明当疲劳应力幅较小时,纳米孪晶/位错混合结构样品中仅在部分位错结构内（约占样品体积分数的2.5%）有明显的疲劳起伏形貌,而在纳米孪晶/位错混合结构样品中纳米孪晶及再结晶晶粒内均有疲劳形貌产生,其中靠近纳米孪晶的再结晶结构中约占样品体积分数7%的晶粒内产生明显的滑移带形貌,而在远离纳米孪晶晶粒的再结晶结构内,仅3.5%的再结晶晶粒内有少量滑移带生成。纳米孪晶/再结晶混合结构样品优异的抗高周疲劳性能源自于多种循环变形机制的开动,纳米孪晶内关联项链位错（Correlated Necklace Dislocations,CNDs）以及部分退孪生可有效协调塑性变形,此外,纳米孪晶晶粒可以通过促进周围再结晶晶粒内位错滑移,马氏体相变等方式协调变形,从而降低疲劳过程中的变形局域化,有效提高材料的疲劳抗性。2、纳米孪晶/再结晶混合结构304奥氏体不锈钢的塑性应变控制拉-压低周疲劳性能及机制:塑性应变控制低周疲劳研究发现,纳米孪晶/再结晶混合结构304奥氏体不锈钢表现出与粗晶304不锈钢类似的循环软化行为,但在塑性应变幅较高时（Δεpl/2=0.25%）,纳米孪晶/再结晶混合结构样品的软化比（Δs=（Δσ/2|max-△σ/2|1/2）/Δσ/2|max）为0.11,明显低于塑性应变幅较低时的软化比以及粗晶304不锈钢的软化比（约为0.2）。这是由于纳米孪晶晶粒在较大的塑性应变幅下循环软化程度很低,有效抑制纳米孪晶/再结晶混合结构304不锈钢的循环软化。随着塑性应变幅的增加,纳米孪晶晶粒的变形行为由位错运动和退孪生转变为位错运动和剪切变形,使得高强度的纳米孪晶结构在循环加载时不发生明显循环软化,混合结构样品具有远高于粗晶样品的应力响应。此外,纳米孪晶/再结晶结构优异的抗变形局域化能力有效抑制了裂纹在孪晶和基底界面处萌生,使得纳米孪晶/再结晶混合结构304奥氏体不锈钢保有良好的疲劳寿命。3、通过循环扭转方法制备出梯度纳米结构304奥氏体不锈钢,研究了其拉-压疲劳性能及机制:在小变形速率下改变扭转角大小制备出具有不同位错密度的梯度纳米结构304奥氏体不锈钢,当扭转角为16°（单周剪切应变量为0.07）时,样品表层产生的纳米孪晶结构使表层硬度达到3.7 GPa。此时,梯度纳米结构304不锈钢的屈服强度和抗拉强度分别为464 MPa和664 MPa,均匀延伸率为55%,具有良好的强塑性匹配。微观结构观察表明,梯度纳米结构样品内部高密度的初始不全位错显著提升了 304不锈钢的屈服强度,且促进了样品内部变形孪晶和应变诱导马氏体相的生成使其具有良好的塑性及加工硬化能力。应力控制的高周疲劳结果显示,梯度纳米结构304不锈钢的疲劳极限为320 MPa,疲劳比为0.48,与表层硬度高达5 GPa的SMRT制备梯度纳米结构奥氏体不锈钢相当。当应力幅较低时,塑性应变首先发生在芯部强度较低的粗晶结构,主要通过位错运动以及马氏体相变承担变形,芯部结构逐渐硬化;此后随着塑性应变逐渐向表层转移,样品表层通过纳米孪晶结构轻微退孪生,位错胞内产生层错来协调变形。而在较高应力幅下梯度纳米结构304不锈钢表现出与低应力幅下主要由芯部粗晶协调塑性变形的疲劳机制不同的循环变形机制。高应力幅下样品由表层至芯部均产生显著的塑性应变,表层纳米孪晶发生严重退孪生导致表层硬度显著降低且表层有大量层错生成来协调塑性变形;而芯部粗晶结构通过位错运动及层错来协调塑性变形使得芯部硬度升高,最终形成表层至芯部几乎均匀的硬度分布。梯度纳米结构304不锈钢样品疲劳过程中多种循环变形方式的启动以及疲劳时塑性应变的连续传递有效抑制了应变局域化和疲劳裂纹萌生,使其具有优异的高周疲劳性能。