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金属材料作为重要的结构材料被广泛应用，这与它具有优异的力学性能是分不开的。这些力学性能主要包括金属材料的高强度、优异的塑性和韧性以及良好的疲劳性能等。由于材料力学性能间的制约关系成为妨碍材料学科发展进步和实际应用的一个巨大障碍和技术瓶颈，同时考虑到应力状态会对材料的变形和断裂性质产生不同的影响，使材料表现出不同的力学行为，本文选取Cu和Cu-8at.％Al合金作为研究对象，设计了一系列单向与循环变形实验，旨在丰富应力状态在金属材料变形机理与疲劳损伤机制等方面作用的理解，同时希望能够为制备高强、高韧、具有优良疲劳性能的新材料提供一定的理论基础。 对粗晶(Coarse-grained，CG)Cu进行拉压和扭转疲劳实验发现，扭转样品中的应变梯度影响了其疲劳位错组态。随着位置由样品中心向表面区域移动，位错组态由以驻留滑移带(Persistent Slip Bands，PSBs)为主转变为以胞状结构为主。疲劳裂纹的萌生、扩展和断裂面都因加载模式的不同而不同。疲劳裂纹的萌生和早期扩展都是沿晶界和滑移带进行，并由最大切应力控制。通过裂纹面上的正应力对疲劳裂纹扩展从第Ⅰ阶段向第Ⅱ阶段转变的一般趋势进行了解释。疲劳条纹是第Ⅱ阶段裂纹扩展的主要特征，结合疲劳条纹的形成机理与应力状态分析，对拉压疲劳中更容易出现裂纹扩展的第Ⅱ阶段进行了解释。在较高的扭转应变幅下，由于驱动力较大，第Ⅱ阶段裂纹扩展也会出现。另外，通过分析纵向裂纹和轴向裂纹的生长情况，对CG Cu在不同扭转应变幅下的断裂过程进行了讨论。 对CG Cu、冷拔(Cold-rolled，CR)Cu和(Ultrafine-grained，UFG)Cu进行拉压和扭转疲劳实验发现，扭转疲劳中应力梯度的存在减弱了样品的疲劳损伤程度，晶粒长大被限制在样品的表层。在高周疲劳(High-cycle Fatigue，HCF)范围内，晶粒尺寸对Cu扭转疲劳强度的影响要明显大于对拉压疲劳强度的影响。UFG Cu表现出了优异的扭转疲劳性能。在两种疲劳模式下，疲劳强度系数σ'f都随晶粒尺寸的减小以及材料强度的增加而增加。在循环拉压载荷下，疲劳强度指数b随晶粒尺寸的减小呈下降的趋势;在循环扭转载荷下，b则随晶粒尺寸的减小呈上升的趋势。基于疲劳失效的两个主要阶段（裂纹萌生和裂纹扩展），对两种疲劳模式下晶粒尺寸对疲劳强度指数和疲劳强度的影响进行了综合分析。 对CG Cu进行叠加轴向静态应力的扭转疲劳实验发现，轴向静态应力会导致纵向裂纹的分叉。对裂纹的微观开裂特征进行分析并结合三维形貌观察，可以判断裂纹的萌生位置为纵向裂纹的中部。定义裂纹分叉前的部分为初始裂纹，当扭转角幅度较小时，轴向静态应力不会对初始裂纹的方向产生明显的影响;当扭转角幅度较大时，初始裂纹的方向受轴向静态应力的影响，这与裂纹扩展阶段所占的比例增加有关。通过假设裂纹微观上以剪切方式扩展并借助裂纹扩展临界应力的概念，对裂纹分叉过程进行了解释。随疲劳损伤程度的累积以及临界应力的降低，未叠加轴向静态应力时，裂纹的扩展沿纵截面区域进行;叠加轴向静态应力后，裂纹的扩展由单一的沿纵截面区域进行转换为横纵剪切面的交替，从而造成了裂纹的分叉。 对Cu-8at.％Al合金进行准原位拉伸实验发现，形变孪晶(Deformation Twins，DTs)萌生时所在基体的取向主要集中在[111]附近，几乎没有DT出现在[011]附近。将晶粒取向归一化到以[001]、[011]和[111]为顶点的标准三角形中，并将DTs按照孪生面进行分类后发现，形变孪生不只是发生在主滑移面((1)11)上，大约有一半的形变孪生发生在非主滑移面上，(111)面上没有形变孪生出现。孪生面法线和拉伸轴的夹角ψ主要分布在45°～77°的范围内;在ψ＜45°的范围内，几乎没有DT出现。ψ＜45°的范围几乎都被(111)面所占据。结合三种施密特因子分析(mlead、mlead-mtrail和mlead-mslip)与晶粒转动，都无法对(111)面上或ψ＜45°的范围内没有DT产生的现象进行解释。通过考虑孪生面上的拉应力对形变孪生的抑制作用，提出了评价Cu-8at.％Al合金在拉伸载荷下形变孪生行为的新判据:只要孪生面上正应力和孪生系上分切应力组成的有效切应力达到孪生的临界分切应力，形变孪生就会发生。新判据可以对晶粒取向和形变孪生的关系进行全面的解释，包括(111)面上或ψ＜45°的范围内没有DT出现的现象。