材料的硬度是其强、韧等力学性能的重要综合性指标,与材料的硬度及其测试相关的研究受到了科学界及工程界的普遍关注。随着材料科学的发展和高科技工程需求的提升,以具有微观设计的微纳米材料为代表的一类先进材料得到了广泛的应用。很多实验表明材料在微纳米尺度下会表现出明显的尺度效应,即各项力学性能都与材料测试时的尺度大小有关,同时,很多先进材料的优异性能正是微结构设计的结果,其在微纳米尺度的力学性能常表现出一定的非均匀特性。压痕测试方法是材料硬度测试中常用的测试方法,其对不同材料以及不同测试尺度的广泛适应性使得压痕测试在微纳米先进材料测试中表现出辉煌的发展前景。本文基于压痕测试的基本原理,探究了先进材料中压痕尺度效应对硬度测试的影响,进而得到了定量的跨尺度压痕标度律,随后建立模型研究了压头尖端附近颗粒夹杂对先进材料压痕测试的影响,并开展了夹杂异构材料强韧化机制的研究。本文主要完成的内容有:（1）为解决传统压痕标度律不能有效应用于具有尺度效应的材料的微纳米压痕测试的问题,我们借助量纲分析方法对一系列均匀弹塑性材料在小尺度压痕中受尺度效应的影响进行了研究,通过结合低阶应变梯度理论的数值模拟,我们给出了压痕标度律在压痕尺度效应影响下的具体表现。结果表明,压痕尺度效应提高了压痕载荷的同时降低了压痕接触面积,总体上使材料得到了硬化;其中材料的屈服应力大小、加工硬化系数高低以及尺度效应强弱对总体压痕响应存在耦合的影响,在不同的情况下分别主导着材料的压痕硬度大小;由于压痕尺度效应在压痕接触区附近产生的额外约束,使得在小尺度下接触面上切向作用力的影响弱于宏观情况,验证了微纳米尺度下光滑接触假设的可靠性。该部分的结果经由比照压痕硬度的实验结果得到了检验。（2）为优化考虑材料尺度效应的压痕标度律的应用,我们参考宏观标度律的定量研究方法,利用低阶应变梯度理论中的流动应力给出了考虑压痕尺度效应时的参考应力定义,通过量纲分析方法有效降低了标度律函数的复杂度,并结合跨尺度的数值模拟和对比压痕实验结果确定了考虑材料尺度效应的定量压痕标度律函数关系。该部分的定量结果有助于快速地通过材料参数推测其压痕响应并可以很容易地研究各个材料参数对具体压痕响应的贡献,即解决压痕标度律的正问题;同时结合单轴测试或利用其他标度律函数定义,可以通过少量压痕实验回推被测材料的材料参数,即解决压痕标度律反问题。尽管该部分的结果对于适用的材料具有一定的局限,但此方法可以便捷地基于不同的函数定义移植至任何新的问题中去,本部分的基于大量模拟数据推动的定量方法具有一定的可拓展性。（3）为完善先进材料压痕标度律在微纳米尺度下受人为设计或制备中难以避免的材料非均匀性影响的研究,我们建立了等效数值模型以研究压头尖端附近颗粒夹杂对材料整体压痕响应的影响,分别开展了尺度无关与尺度相关情形下颗粒夹杂材料中基底和材料性能、颗粒夹杂与压头的相对位置、夹杂与基底界面强弱等问题的研究。结果表明,除了压痕尺度效应的一般性影响外,材料中出现的非均匀性在更小尺度下对材料整体具有更高的增强作用,且与宏观情形不同的是,此时的增强作用更多来自于非均匀构型所致的材料非均匀变形和对应的几何必需位错塞积导致的强化而非夹杂自身力学性能的增强。这表明非均匀材料尤其是其在微纳米尺度下的压痕问题确有深入研究的必要性。（4）为深入研究微纳米尺度下非均匀材料的强韧化机制,我们基于泰勒模型和位错演化的相关模型及假设对位错机制下的金属材料提出了新的本构关系,这一本构关系既继承了低阶应变梯度模型等理论的简洁易行特性,同时使用了更少的唯像关系从而使本构关系的物理意义更加明确。我们利用实验数据验证了本构模型的可靠性并针对微纳米异构材料的界面特性开展了研究。结果表明,材料在夹杂异构的界面附近存在一个界面影响区,界面影响区中几何必需位错的大量塞积和梯度分布所带来的泰勒硬化效应和背应力硬化效应是其额外强韧化的主要贡献因素。界面影响区宽度具有与外部因素无关的内禀属性,且与材料的应变梯度特征长度在同一个量级。这为研究先进材料微观内禀属性间的关联提供了思路。本文的研究加深了对均匀材料跨尺度压痕的理解,提供了跨尺度压痕标度律的相关定量结论,获知了不同尺度下材料非均匀性对压痕响应的影响,解释了微纳米异构材料的强韧化机制,为微纳米尺度下先进材料的研究和应用提供了帮助。