微尺度金属材料在微机电系统中的应用越来越广泛,是产品智能化的推动力,其力学性能明显区别于宏观尺度下的力学响应,主要表现为一系列的尺度效应,也就是说,金属材料的屈服强度等力学性能与试件尺寸密切相关。宏观经典塑性理论不包含尺寸参数,故不能捕捉尺度效应。本文基于应变梯度弹塑性理论,分析微尺度金属材料在弹塑性变形过程中出现的各类非经典塑性力学现象。具体的研究内容如下:1.建立了简化的应变梯度弹塑性模型。忽略了与应变梯度功共轭的高阶应力和弹性特征尺寸参数,使得模型中仅有一个材料特征尺寸,重新构建了完全有效弹塑性应变的表达式。算例结果表明,这一简化理论能够确保预测的精确度。2.研究了金属丝在拉扭循环复杂加载路径下的力学响应。对不同程度预拉伸变形的金属丝进行循环扭转加载,金属丝在预拉伸后的循环扭转阶段仍然具有较为明显的尺度效应。但是,预拉伸变形使得扭转过程中的屈服强度尺度效应减弱。基于Taylor塑性流动法则,预拉伸变形减少了金属丝扭转过程的纯弹性变形范围,当预拉伸变形足够大时,金属丝的扭转过程直接从塑性变形开始。在循环扭转过程中,预拉伸变形会降低超强包辛格效应和塑性软化,预拉伸变形弱化了梯度硬化。此研究表明,金属丝扭转强度还与其制造历史有关,为文献中报道的微尺度扭转实验相互间的差异提供了一种可能的解释。3.综合考虑惯性效应、梯度效应和温度效应求解了孔洞的动态生长问题。研究表明,在孔洞生长早期,惯性效应会阻碍孔洞的生长,较大的孔洞其惯性效应的阻碍程度也较高,生长到一定阶段,惯性效应又会促进孔洞持续性生长。梯度效应会极大地提高孔洞表面附近的屈服强度,且由于屈服函数中弹性极限处的屈服强度大于宏观尺度下的屈服强度,导致梯度效应对孔洞表面附近有极大的硬化作用,提高了微尺度孔洞动态生长的临界应力,延迟了孔洞的动态生长。高速加载条件下,孔洞生长中塑性变形所做的功大部分会转化为热能,从而导致孔洞表面局部温度上升,甚至会达到金属材料的熔点,这一温升可以导致孔洞表面附近的热软化,降低了孔洞快速生长所需的临界应力,一定程度抵消了梯度效应对孔洞表面附近的硬化作用,推进了孔洞的快速生长。分析了不同加载速率以及不同程度静水拉压载荷下孔洞的动态生长行为,较大的加载速率会推动孔洞快速生长并最终达到某一稳定值,较高程度的远场静水拉压载荷才会提高孔洞最终的生长速率。