在微米和亚微米尺度下,金属材料的塑性力学行为与宏观尺度相比表现出明显的差异。对微尺度材料反常塑性行为的研究已经成为力学与材料科学领域的前沿课题。本文采用实验和理论相结合的方法,对微米尺度金属丝的反常塑性行为进行了系统的研究,主要成果包括：(1)研制了一台高精度纤维材料微拉伸实验装置,可同时测量试样的拉伸力和上夹持端的位移量,以精确获取试样的载荷-变形曲线。采用该装置对微米量级多晶铜丝、多晶金丝和316L不锈钢纤维进行了拉伸测试,结果表明：铜丝的拉伸力学行为无明显尺度效应；铜丝和316L不锈钢纤维的弹性模量均低于其宏观尺度下的弹性模量；不同晶粒尺寸金丝的屈服强度符合Hall-Petch关系。(2)基于静态扭秤原理,成功研制了国内第一台微扭转实验装置,可同时实现微尺度材料的单向和循环扭转测试。首次提出采用原位扭转振动法对微扭矩传感器进行精确标定。装置的扭矩分辨率在nN·m量级,剪应变的分辨率高达亚微应变。采用该装置首次直接重复了经典但长期受人质疑的细铜丝扭转实验。实验结果表明,铜丝扭转变形的初始屈服和塑性流动阶段都具有尺度效应。采用偶应力应变梯度塑性理论对实验结果进行了解释。(3)对直径为20-50μm的多晶铜丝进行了单向扭转和单轴拉伸测试,实验结果表明,铜丝扭转变形的初始屈服和塑性流动阶段都具有尺度效应,而拉伸变形并无明显的尺度依赖性。分别从几何必需位错和临界厚度的观点出发,对扭转变形尺度效应的物理机制进行了详细分析。同时,对Fleck-Hutchinson、Chen-Wang和Aifantis应变梯度塑性理论进行了评估,分别得到了相应模型的扭转刚塑性解,指出了这三种唯象理论在预测初始屈服和塑性强化尺度效应时的差异。系统的实验和理论分析表明：扭转变形时,初始屈服的尺度效应主要是由外部几何尺寸对有限应变体积的约束引起的,而塑性流动阶段的尺度效应则与应变梯度诱导的几何必需位错密切相关。(4)首次对微米尺度多晶铜丝和金丝进行了循环扭转测试,结果表明：微米尺度金属丝在循环扭转塑性变形时,不但具有尺度效应,还表现出强烈的Bauschinger效应和异常的塑性恢复现象,即反向的塑性流动在卸载时就开始发生。实验结果与分子动力学和离散位错动力学模拟定性一致。基于Fleck-Willis理论框架,提出了一个同时包含耗散和储能材料长度参量的非局部随动强化模型,能够描述上述实验现象。理论分析表明,在微米尺度下,塑性应变梯度诱导的几何必需位错不但会引起尺度效应,也会导致反常的Bauschinger效应。(5)首次采用Tricomi方法给出了双臂位错塞积模型控制方程的解析解和纯位错塞积边界条件。对复杂应力情形下的位错塞积行为进行了分析,分别得到了不同情形下塞积的位错分布、领头位错作用力、塞积尖端应力场、位错偶极子的数目以及形成塞积所释放的能量等。推导了一个可以预测微尺度多晶材料非均匀变形尺度效应的应力梯度塑性律,并预测了细丝扭转和薄梁弯曲中初始屈服时的尺度效应。(6)将应力梯度塑性律引入到CMSG氏阶应变梯度理论框架,提出了一种应力梯度塑性连续介质理论。指出位错障碍平均间距是控制材料塑性流动的唯一长度参量,并对其进行了重新定义,使其同时包含晶粒尺寸和试样外观尺寸。该理论能够很好地预测细丝扭转和薄梁弯曲实验中的尺度效应。