梯度纳米结构材料具有良好的强度与塑韧性匹配，其潜在的工程应用价值正在被发现和挖掘。梯度纳米结构材料的特点在于材料从表面到心部的组织、性能及残余应力呈梯度分布，其变形与损伤机制不同于截面组织均匀的材料。同时，金属材料的变形方式强烈依赖于晶体结构。目前对以滑移为主的梯度纳米结构面心和体心立方结构金属的变形与损伤研究较多，而对孪生活跃的密排六方结构金属的梯度纳米结构组织的变形与损伤机理的报道较少，尤其是在外加应力呈梯度分布的拉—扭双轴循环变形行为更是鲜有报道。本文以密排六方金属纯钛为研究材料，采用自行设计的金属表面纳米化装置制备了梯度纳米结构纯钛棒状及管状试样，对比研究了不同外加应力状态下梯度纳米结构纯钛的疲劳行为和微观组织演化规律，为澄清梯度纳米结构材料的塑性变形与损伤机理提供实验依据。
揭示了纯钛在表面纳米化处理过程中梯度纳米结构形成特点及超细化机理。结果表明，梯度纳米结构纯钛由表面纳米晶/超细晶层、次表面变形层和心部粗晶层组成，表面纳米晶的平均晶粒尺寸为~100nm，变形层主要以　型变形孪晶为主，并且随着距表层深度的增加，孪晶的数量逐渐减少。表面纳米晶的形成主要经历了变形孪晶优先细化、位错进一步细化和小角度晶界向大角度晶界转变三个阶段。
研究了拉—压循环加载作用下梯度纳米结构纯钛的疲劳行为。结果表明，与未表面纳米化处理纯钛相比，梯度纳米结构纯钛的疲劳强度提高了6.8%。表面纳米化影响疲劳裂纹的萌生位置，由于表面纳米晶具有高的硬度和强度，有效抑制了疲劳裂纹从试样表面萌生，而次表层存在大量位错和孪晶缺陷，导致梯度纳米结构纯钛疲劳裂纹从试样次表面萌生。此外，从裂纹扩展路径来看，纯钛表面纳米化后疲劳裂纹扩展路径发生曲折，预示着较低的疲劳裂纹扩展速率，这主要归因于次表面变形孪晶界对疲劳裂纹扩展的阻碍作用和残余压应力对疲劳裂纹的闭合效应。
研究了在反复扭转加载产生的外力梯度分布与组织梯度分布双重作用下纯钛的疲劳变形行为。结果表明，梯度纳米结构纯钛的强度分布与外加应力分布相匹配，导致纯扭转加载下的疲劳寿命提高幅度明显大于拉—压加载，与未表面纳米化处理纯钛相比，疲劳强度提高了45%。在循环扭转变形过程中，梯度纳米结构纯钛和粗晶纯钛均表现出循环软化行为，但前者的循环软化速率始终低于后者；随着晶粒尺寸减小，导致梯度纳米结构纯钛疲劳裂纹萌生机制从粗晶钛的晶界和孪晶界开裂转变为剪切带开裂。根据循环应力幅大小和晶体取向不同，粗晶纯钛变形后可形成平行位错线、初级位错胞和变形孪晶等组织结构，而梯度纳米结构纯钛疲劳后的微观组织未发生明显变化，表明梯度纳米结构纯钛具有较高的组织稳定性。在反复扭转加载时，表面纳米化形成的梯度强度与外加应力梯度匹配，可以最大发挥梯度纳米结构材料的结构优势。
详细研究了拉—扭双轴循环载荷下管状梯度纳米结构纯钛的疲劳行为及变形机理。结果表明，与未表面纳米化处理纯钛管相比，梯度纳米结构纯钛管比例加载下的疲劳强度提高了10%，其疲劳寿命提高幅度介于拉—压加载和纯扭转加载之间。双轴比例加载下疲劳寿命提高的原因主要是由于梯度纳米结构纯钛的残余压应力与外加应力的叠加效应，导致梯度纳米结构纯钛的最大切应力和最大正应力均小于粗晶钛的，从而表现出高的抵抗裂纹萌生和扩展能力。加载路径对梯度纳米结构纯钛的疲劳寿命和微观组织有着显著影响，在比例加载下，随着应力比增加，梯度纳米结构纯钛的疲劳寿命逐渐增加；在非比例加载下，随着相位差增加，疲劳寿命逐渐降低。在比例和非比例加载下，最表层的纳米晶均发生了应力诱发晶粒长大。由于在非比例加载下最大切应力面在空间连续旋转，更多滑移系被激活，导致非比例加载下的纳米晶长大程度大于比例加载下的，相应的心部粗晶区域典型微观组织从平行位错线转变为位错网。最后，基于临界平面法对梯度纳米结构纯钛在不同加载路径下的疲劳寿命和疲劳裂纹萌生和扩展方向进行了预测，发现梯度纳米结构纯钛在不同加载路径下的疲劳裂纹生长方向预测值与实验测量值基本吻合。
通过对比不同外加应力状态下梯度纳米结构纯钛的疲劳寿命、微观组织和断口形貌，提出了当外加应力载荷分布与梯度纳米结构材料的强度分布匹配度越高，梯度纳米结构材料的疲劳性能提高越明显的准则，建立了不同外加应力状态下梯度纳米结构纯钛微观组织结构演化规律图和疲劳裂纹萌生及扩展模型，为梯度纳米结构材料服役性评定及结构材料强韧化设计提供了理论依据。