材料在服役条件下的变形损伤机制的研究，对于深入揭示材料及其制品的服役行为、可靠性和寿命评估具有十分重要的意义，在国家中长期科技发展规划纲要中被明确指出是面向国家重大需求的研究，这项工作也是当前国际学术界的研究热点。面向这类需求，本文设计提出了能够在金相显微镜下动态监测材料变形损伤状况的原位拉伸-扭转测试装置，针对典型材料利用该装置开展了一系列的试验研究，获得了被测塑性材料拉伸-扭转测试性能的规律，并通过原位金相显微试验分析了材料晶粒与力学性能的关系，从微观角度对宏观的现象进行了充分的论证。本文首先从基本原理的分析出发，进而完成测试装置的设计工作，同时总结小型化复合载荷原位测试装置的设计方法，并对电气控制系统和控制软件的设计工作进行必要的阐述。结合设计分析工作，针对测试装置展开了一系列的检测试验和误差分析研究。作为原位拉伸-扭转测试装置设计工作的重点，通过试验和理论模型的建立，将误差进行量化，进而提出有效的误差修正算法。针对典型金属材料，利用本文装置进行拉伸-扭转复合载荷试验，揭示两种应力在塑性材料变形过程中的相互影响。同时，开展基于金相显微分析的原位拉伸-扭转测试，检测和分析纯拉伸、纯扭转和拉伸-扭转三种载荷形式下显微组织的区别和变化规律，根据显微组织与宏观性能的对应关系，解释两者之间的联系。最终，用原位试验的显微组织结果对复合载荷的力学结果进行论证和解释。论文工作涉及测试装置的设计、研制、装配和校准，据此开展了验证试验，在此基础上，针对材料开展了试验测试和分析，发现了塑性材料在大变形情况下，拉伸和扭转载荷的相互影响；并结合显微组织的原位测试分析结果，发现了材料在复合载荷下的性能特点与显微组织间关系。论文对揭示材料在复杂受载情况下显微组织与宏观性能响应间的联系具有重要意义。