随着科学技术的发展与材料制备工艺的不断进步，微电子、精密光学等领域对基底材料的力学性能，特别是加工制造中材料物理性能保持性的要求越来越高。单晶硅作为一种良好的半导体材料，是微电子、精密光学等领域的主要支撑材料，被广泛用于制作红外、紫外光学元件和半导体基板，尤其是作为大规模集成电路基板发挥着重要作用，其在红外探测、高能激光、导弹武器、空间探测器等方面的应用也越来越受到人们的重视。对单晶硅的超精密加工，常会由于切削力/研磨抛光力作用导致其表层及亚表层发生相变，甚至产生裂纹及位错，一方面导致材料机械损伤，另一方面导致材料物理性能发生改变，影响正常使用。因此，研究单晶硅的变形损伤等机械方面的失效，特别是相变等物理性能的改变具有十分重要的意义。论文从单晶硅晶体结构入手，利用纳米压痕技术对单晶硅晶体及其薄膜材料进行了压痕仿真，研究了其晶体特性。论文首先介绍了单晶硅纳米压痕测试的国内外研究现状，同时综述分析了纳米压痕过程中单晶硅相变研究现状，通过总结单晶硅不同晶相结构对应的应力应变与发生相变的压力大小，确定了单晶硅弹性模量与内部发生应变的关系，结合已有的单晶硅力学参数，建立了适用于表征单晶硅纳米压痕过程内部相变的各向异性本构关系模型。介绍了Marc有限元软件二次开发过程，进而通过子程序将单晶硅各向异性本构关系模型耦合到Marc有限元软件中，以实现其纳米压痕仿真分析。利用有限元软件MSC.Marc建立单晶硅三维各向异性有限元模型，通过软件二次开发导入单晶硅各向异性本构关系模型，并据此针对单晶硅纳米压痕测试开展仿真分析计算。对单晶硅(001)晶面进行了纳米压痕试验，结合对单晶硅纳米压痕试验中载荷‐压深曲线分析，研究了单晶硅不同载荷下的变形情况，研究了卸载过程中出现pop-out现象的机制。通过试验和仿真得到的单晶硅载荷-压深曲线对比分析，验证了论文建立的单晶硅仿真模型的可信性。通过对单晶硅的仿真分析，研究了纳米压痕过程中单晶硅的相变情况以及单晶硅内部相变分布情况，得到了单晶硅受压下的相变机理，总结出了单晶硅在压头作用下受到的压力与相变的关系。然后通过对单晶硅不同晶面进行的纳米压痕仿真，分析了不同晶向对单晶硅纳米压痕得到的载荷-压深曲线产生的影响，在相同载荷作用下得到单晶硅在<100>晶向方向上压深最大，在<111>晶向方向上压深最小。通过对比不同晶面压痕过程中单晶硅内部相变的区别，得到单晶硅的晶向对压痕过程中的相变有一定影响。最后，通过对蓝宝石衬底单晶硅薄膜的纳米压痕仿真，对比其载荷-压深曲线，得出薄膜材料的力学性能是由薄膜与基体材料性质共同决定的：薄膜越厚，总体表现的力学性能越接近薄膜材料的性能；反之，越接近基体材料的性能。分析了以蓝宝石为基底的单晶硅薄膜在不同膜厚下的单晶硅薄膜相变情况，总结了不同膜厚和基底材料对单晶硅压痕过程中相变的影响及产生影响的原因。