相比于传统材料力学性能检测方法,压痕法在微损检测、原位检测、跨尺度测量及试验便捷性方面具备巨大优势。由于能够更好地满足检测结果的唯一性问题,球压痕已成为压痕检测领域研究的新热点。利用球压痕识别材料力学性能参数的核心在于识别算法的构建,而算法的合理性及可靠性则取决于对球压痕塑性变形机理的深入研究。目前,虽然众多研究者提出了各类算法用以获得材料的应力应变曲线、蠕变性能和断裂韧性等力学性能参数,但是对相关问题的深层次机理了解仍非常有限,这就导致了目前算法的合理性和普适性存在各种缺陷。本文根据晶体塑性模拟、应变梯度理论、塑性损伤理论,采用理论解析、数值模拟和试验检测相结合的方法,从多角度相关方面研究了球压痕的变形机理和损伤机制。发现了球压痕加载曲线形状特征的凹凸性转变规律,分析了其影响因素和形成原因,为力学性能参数的识别提供了借鉴;同时基于Nix-Gao压痕几何必须位错模型,推导了球压痕应变梯度与压头尺寸及压下深度间的定量分析模型,为球压痕识别梯度塑性內秉长度算法提供了理论根据;在球压痕变形导致材料损伤方面,本研究首先针对AA7075-T6建立了预测球压痕变形损伤分布的理论模型,然后从微观层面对球压痕变形材料的微孔洞萌生、收缩、扩张与扭转等行为进行了分析。单晶材料的球压痕损伤行为不同于合金材料,因此针对单晶材料本研究利用晶体塑性模拟结合扫描电镜分析,揭示了球压痕隆起区域微裂纹形成的原因。基于上述对压痕变形机理的深入研究,本文建立了利用单一尺寸球压痕单次加载识别材料梯度塑性內秉长度的方法和利用智能算法识别多参数与多自由度材料本构方程的算法。在试验中通过对比锥形压痕和球压痕的加载曲线,发现了球压痕加载曲线在形状上呈现出凹凸性转变的特点,即加载曲线的前半段下凹、而后半段上凸。通过有限元模拟研究了弹性模量与屈服强度比、泊松比、摩擦因子、应变硬化指数及压头半径对加载曲线形状以及凹凸性转变特征点位置的影响。研究发现应变硬化指数是重要影响因素,当n>0.1时,凹凸性转变才会出现,当n≤0.1时,球压痕加载曲线仅仅呈上凸趋势而不存在凹凸性转变。球压痕加载曲线的这种特殊的形状特点,取决于其垂直压下和径向扩张两种不同变形模式的协同与转换。球压痕加载曲线形状特点的研究为通过加载曲线建立材料宏观力学性能参数识别方法提供了参考。采用压痕法不仅可以确定材料宏观力学性能参数,还可以对材料更小尺度的塑性变形进行表征。应变梯度强化在小尺度塑性变形中发挥着重要作用,在球压痕过程中,一般认为应变梯度强化效果只与球压头尺寸有关,而本文通过理论推导证明了球压痕应变梯度不仅受压头半径的影响,还与压下量有关。基于球压痕应变梯度、压头尺寸及压下深度三者的解析关系,本文提出了一种可以用单一球压痕确定材料应变梯度內秉长度的方法,并据此确定了退火无氧铜、（220）铜单晶、AA5052和AA7050-T7451的內秉长度。通过与已有文献中结果对比发现该方法可以较为准确地确定出退火无氧铜和铜单晶的內秉长度。而对于AA5052和AA7050-T7451铝合金,采用该方法确定的內秉长度应为合金材料各个组分的平均內秉长度核算值。除了识别材料塑性变形相关参数,很多研究者还试图利用球压痕识别材料的断裂韧性。然而,目前这些研究并没有给出球压痕变形材料损伤的分布及其具体形式。为了提供更为深入的机理研究,本文对AA7075-T6高强铝合金及面心立方单晶两种材料在球压痕过程中的损伤萌生机理、演化规律及影响因素等进行了深入讨论。对于AA7075-T6铝合金,损伤萌生的主要形式为MgZn2颗粒的破碎及脱粘,符合该材料塑性损伤的一般机理。基于扩张球壳模型（ECM）和Bonara损伤模型,建立了预测球压痕变形材料损伤分布的解析公式。在微观层面,电子背散射衍射（EBSD）结果显示微孔洞周围的应变梯度远高于球压痕变形材料的平均值。通过有限元模拟和纳米压痕试验发现应变梯度在微孔洞边缘存在极大和极小值的交替变化。以上研究结果表明,球压痕变形材料孔洞的演化机理为应变梯度强化为主导的孔洞收缩、扩张及扭转。本研究还基于遗传优化和人工神经网络建立了球压痕识别多参数和多自由度材料本构参数的方法。该方法首先利用有限元模拟,针对355种不同模式材料建立基础数据库,然后利用遗传算法优化出最优的神经网络来构建目标函数,再使用遗传算法将材料本构模型参数解出。通过测试组数据对比,该方法仅利用球压痕加载曲线就可以较为准确地找出材料的力学性能参数,其优化出的载荷位移曲线与目标识别曲线误差小于1%。同时可以找出所谓的“Mystical materials”,即对应极为接近加载曲线的不同材料。该方法为建立数据驱动的材料力学性能参数球压痕识别算法提供了参考。