为了提高疲劳性能，人们通过减小金属材料的微观结构尺度，如晶粒尺寸，发展了具有高疲劳强度指数的超细及纳米晶金属。此外，微电子领域广泛使用的金属薄膜材料，因其几何尺度的不断减小，其在厚度方向上的晶粒尺寸也明显减小到亚微米甚至纳米尺度。这些具有超细及纳米晶粒的金属材料的疲劳性能必然不同于块体粗晶金属。因此，金属材料在微纳尺度（< 1mm）下的疲劳问题及基本机制已成为当今材料疲劳研究领域中有待解决的关键科学问题之一。

　　早在19世纪初，金属材料的疲劳断裂就引起人们的关注。理论认为，塑性金属的疲劳损伤往往起源于材料循环应变的局部化，即在材料表面形成了伴随有挤出／侵入的驻留滑移带(PSB)处。微观上，在PSB处形成了由刃型位错子组成的位错墙结构。在位错墙的通道内，螺型位错的运动可以使PSB承担绝大部分的塑性应变，循环塑性应变得以不断的累积，最终微裂纹在应变不匹配的PSB／基体界面处形成。块体材料的这些疲劳损伤特征尺寸，如“挤出／侵入”的高度、位错墙的厚度和位错胞的尺寸等通常在微米至亚微米范围。大量研究表明，随着材料晶粒尺寸减小到超细晶甚至纳米晶范围，由于尺度的限制，材料中不再出现上述粗晶中那些典型的位错组态^{[5, 7, 8]}。从几何尺度角度看，尽管块体粗晶金属中的典型位错结构无法在微纳尺度材料中形成，但微纳米尺度金属材料仍然能够发生疲劳损伤，那么疲劳损伤的机制是什么呢？它与材料中的位错行为有什么关系呢？

　　针对这些关键问题，研究组系统研究了微纳尺度的金属材料的循环变形行为、位错结构演化以及疲劳性能。澄清了受约束微尺度金属材料疲劳性能的尺寸效应及损伤机制。发现了当金属材料的几何尺度及微观结构尺度从微米减小到纳米尺度时，疲劳强度逐渐升高、循环应变局部诱发的疲劳挤出/侵入逐渐消失、位错结构由典型的墙/胞逐渐转变为单根位错、疲劳损伤由沿疲劳挤出/侵入开裂到沿界面损伤等一系列重要规律及相关的疲劳尺寸效应；基于几何尺度对位错的约束效应建立了金属薄膜疲劳损伤的理论模型，提出了材料尺度控制的金属薄膜疲劳机制图；有关金属薄膜疲劳行为的研究结果曾被美国材料研究学会的MRS Bulletin[30 (2005) 4]以题目为“Fatigue Properties of Nanometers-Scale Copper Films Elucidated”进行了较大篇幅的正面报道与评论，发表在Acta Mater.上的文章入选“Top 50 highly cited articles by Chinese mainland authors”published in Acta Mater. from 2006-2010。

薄膜表面挤出/侵入高度随厚度减小而减小示意图