皮质骨是生物力学研究的重要领域。了解皮质骨在使用状态下的力学性能和微观失效机理是预防骨破坏的必要前提,有助于骨组织修复工程的发展和基于皮质骨的仿生材料设计。随着力学性能测试方法(多载荷耦合加载、纳米压痕技术)和微观表征手段(高分辨透射电镜、能谱衍射)的进步,基于上述技术的皮质骨的断裂机制和变形行为已经取得了很大的进展。在微米尺度下,作为典型的连续管状系统,哈弗氏管可以显著影响不同方向皮质骨的各向异性,但是目前关于哈弗氏管位置和分布对抗压强度和断裂机理的研究很少被提及。而在亚微米尺度下,皮质骨内部胶原纤维和羟基磷灰石颗粒的取向及分布对皮质骨抗压强度和断裂机制有重要的影响,但是目前,皮质骨的尺寸效应导致的力学性能与失效机理的变化对骨组织失效、纳米颗粒的磨损失效的研究较少。因此,本文开展了以下三方面的研究:1.利用小型化水平原位压缩试验机,研究了温度和试样取向对压缩强度和断口形貌的影响。这里研究了基于取样角为0摄氏度和38.5摄氏度的五个皮质骨试样的断裂强度和压缩应变。研究发现断裂强度和压缩应变的显著差异表明皮质骨对温度敏感,通过扫描电镜等表征技术对断口形貌开展可进一步的分析。基于Micro-CT获得的皮质骨内部的哈弗氏管的分布,开展了对哈氏管分布与裂纹扩展路径的分析,建立了哈氏管分布与骨裂纹扩展路径的函数。2.使用深度传感纳米压痕测量技术得到硬度分布图。结合在体内近似环境下的压缩试验和微计算机断层扫描分析,建立了皮质骨圆周表面的硬度分布图与压缩载荷作用下,骨断裂路径之间的相关性。基于最小方向导数原理,将通过硬度分布图中的高硬度区域连接起来的方法,准确预测了压缩载荷作用下环向表面的断裂路径。通过对取样角为90~o和45~o的皮质骨试样的拟合,开展了预测断裂路径与实际断裂路径的比较,验证了预测方法的可行性,进一步分析表明了断裂路径与哈弗氏管分布的关系。3.使用聚焦离子束串联用纳米力学测量系统分别对上述微柱进行压缩实验。实验发现以下现象:(1)同一骨板层内的不同直径微柱的极限压缩强度和应力-应变曲线在塑性阶段的抖动幅值表现出明显的尺寸效应;(2)不同骨板层切割的微柱的极限压缩强度和杨氏模量没有随着距离哈弗氏管由近到远表现出的梯度效应。针对上述现象,通过原位扫描电镜下的连续变形观测,直接揭示了亚微米尺度下的分段各向异性变形行为,包括弹性恢复和局部塑性流动、收缩甚至坍塌以及微米尺度下的各向同性行为。尺寸效应引起的韧脆转变也可以从塑性逐渐增加和断裂形态的变化中看出,塑性具有蘑菇状结构,塑性具有随直径减小而开裂的特征。提出了基于羟基磷灰石晶体的嵌入强化理论和胶原纤维的不连续断裂理论,解释了应力波动行为。从理论上计算了羟基磷灰石晶体在应力波动周期内的倾角和位移。此外,通过高分辨透射电镜和选区电子衍射谱图直接观察羟基磷灰石晶体的多取向、多角度弯曲断裂短纤维,验证了所提理论的可行性。