科学技术的高速发展，人类生活水平的逐步提高，尤其是人口、资源、生态环境的压力愈来愈大，都对材料科学技术提出更高的要求。而新材料是其他高新技术的支撑和先导，其研究水平和产业化规模已成为经济、科技、国防实力的重要标志。为了保证各类材料及其制品长期可靠地工作，材料性能测试显得尤为重要。本文通过深入研究现有的材料微观力学性能测试技术与方法，综述了相关领域的国内外研究进展，着重介绍了技术日益臻熟的主流商业化力学试验机和小型原位力学测试仪器，同时对国内外温度和力耦合加载的测试技术做了较为详尽的分析。由于任何机器运转都不能脱离外界的大环境而独立工作，材料除了承受应力场作用外，常常会受到环境温度、外部磁场、电场等多种物理场的作用。因此，开展温度场等物理场下的力学性能试验就具有重要的实际意义。结合对国内外进展的综合分析，针对当前传统扭转试验机功能拓展能力较差等现存问题，本文设计研制一种变温模式的双向扭转试验机，可以进行25°C至400°C温度范围内的变温扭转力学测试，为分析材料在变温条件下的扭转力学性能提供更加丰富试验依据。论文首先阐述了典型塑性材料和脆性材料承受扭转载荷时的基本测试方法及原理，进而对试验机开展了整体方案设计介绍，对各组成单元结构原理与功能进行了分析说明，同时对关键元件进行了理论校核计算，以验证结构设计的合理性。进一步在此基础上通过有限元仿真分析软件，模拟试验机实际服役条件下的受载情况，分别对整机与关键件进行力学仿真分析，并对数值仿真的结果做了分析说明。通过对整机与扭矩轴模态仿真分析，得出了整机及扭矩轴的模态参数，在结构设计上避免了因共振而发生部件失效的情况。利用快速傅立叶分析仪，对试验机实物进行现场模态实验，测量出了整机和扭矩轴的实际频率响应函数，验证了仿真结果有效性，并分析了理论仿真值和实测值产生误差的原因。论文在25°C至400°C等几个不同温度下，分别对铝合金6061和灰口铸铁HT150进行了扭转力学试验，分析总结了两种材料在变温模式下的扭转力学性能响应特性，同时验证了扭转速率对铸铁的力学行为特性的影响。文章最后利用SEM（扫描电子显微镜）从宏观和微观角度对两种材料试验后的试样断口进行了观察、对比和分析，进一步揭示了材料在变温条件下承受扭转载荷的断裂机制。