随着材料科学和表面处理技术的发展,将功能梯度材料作为改性层以改善材料表面的机械性能,如表面硬度、耐磨性等,已成为目前材料科学领域热门研究方向之一。与均质薄膜相比,梯度改性层具有更高的层/基结合强度、更好的抵抗接触损伤能力等优点,因而在核能、汽车、通信、航空航天、医学等方面得到广泛应用。但是,由于梯度改性层成分、结构随深度变化,造成其材料属性也相应变化,给定量研究改性层在法向载荷作用下的接触行为带来很大困难,不利于对其进行后续优化和实际使用寿命的判断。因此,定量研究改性层力学性能和其在法向载荷作用下的接触行为,对材料的开发和实际应用都有十分重要的意义。本文使用双层辉光等离子表面冶金技术在304不锈钢表面制备的Mo改性层,并量化研究其力学性能及对接触应力的影响。主要研究如下:(1)提出一种基于纳米压入实验数据计算材料塑性参数的算法。该算法由参数搜寻和有限元模拟两部分组成,通过不断对比实验和模拟载荷-位移曲线以确定材料的塑性参数。(2)利用双层辉光等离子体表面冶金技术,在304不锈钢表面制备Mo改性层,由SEM、努氏硬度实验和纳米压入实验可知:改性层的厚度为9.1μm;改性层/基体结构的表面硬度受到梯度结构和基体效应的影响,随载荷的增大不断降低;双层辉光等离子体表面冶金技术在304不锈钢表面制备的Mo改性层不属于塑性梯度材料。(3)将改性层进行均质分层处理,并通过本文提出的算法和Vegrad混合定律获得改性层全部子层弹塑性参数。使用Ansys软件研究在球形、维氏压头压入过程中改性层对接触应力的影响,并与基体和均质薄膜进行对比分析。结果表明,无论是在相同压入深度还是相同压入载荷的条件下,薄膜或改性层都承担了绝大部分的接触应力,但改性层相对于薄膜能显著缓解第一主应力和界面处剪切应力,有助于提高改性层/基体结构的可靠性;对比三种材料在球形压头、递增载荷条件下的最大接触应力,相对于薄膜,改性层的最大等效应力和界面剪切应力的增长率更小,表明改性层/基体结构在无损伤条件下可承受更大的压入载荷。