NiTi（镍钛）形状记忆合金具有独特的形状记忆效应和超弹性特性,以及优异的力学性能如高强度、高阻尼、抗疲劳和耐磨损等。这些特性使其既可作为最重要的金属智能材料,又可作为非常重要的结构材料而在过去的几十年越来越受到工程师和科研工作者的重视。研究表明,NiTi形状记忆合金形状记忆效应和超弹性源于材料内部发生的马氏体相变,其独特的力学行为与微结构的演化存在着紧密的联系。为充分发挥材料性能,研发和设计以NiTi形状记忆合金为材料制成的新型结构和器件,需要深入研究形状记忆合金在相变过程中的微观结构形貌,分析其与宏观力学行为之间的关系。相场理论是模拟研究材料微观结构最有效的方法之一,在过去30年得到了快速发展和广泛的应用;尤其值得指出的是近20年来相场模型也开始在工程结构损伤分析和结构拓扑优化方面得到应用。但相场法目前仍存在变量数目多、耦合关系复杂、计算量大等问题,致使多数研究即使采用了先进的计算能力也只能将计算模型控制在很小的尺度范围内,限制了其进一步广泛应用。本文研究了超弹性NiTi形状记忆合金的马氏体相变相场模型,在此基础上进一步改进了相场模型,提出了高效的数值算法,建立了基于相场理论的宏-微观计算模型,并对合金的微观结构演化开展了系统的研究。本论文的主要研究内容如下:（1）研究了相场模型模拟具有二维特征的马氏体相变行为的计算方法,通过晶体连续性理论推导出了NiTi形状记忆合金B2–R相变行为的二维模型。通过二维马氏体相变的模拟,对如何选取有限元单元进行了讨论,并以此为基础对NiTi形状记忆合金中的B2–R相变进行了模拟;模拟研究结果表明,所提出的二维模型可准确地在二维平面上模拟含有纵向剪切应变的马氏体相变。（2）基于统计学习理论改进了相场模型的求解流程,提出了基于统计学习理论的高效算法并发展和改进了相场模型;对相场模型模拟计算过程中产生的大量数据进行了统计分析,构建了NiTi形状记忆合金演化过程中的预测函数,并提出相应的快速搜索方法,用以确定关键变量与预测函数间的联系;对富Ni含量NiTi合金中R相马氏体生长和B2–R马氏体相变的模拟研究结果表明,改进的相场模型能够在保证计算精度的同时,大幅度提升计算效率。（3）研究了相场模型在较大尺度下模拟应用问题;基于序参量梯度在界面区域远大于非界面区域的特性,构造了全局修正函数,建立了适用于可调尺度体系马氏体相变模拟的相场模型。在不改变界面能密度的情况下,通过调整界面区域的体积自由能密度差与梯度能系数,修正了原相场模型在粗网格下的问题,实现了大尺度下的高效模拟,并能很好地表征马氏体相变。模拟研究结果表明,改进后的相场模型能很好地解决原相场模型在大尺度体系模拟时存在的如组织生长速率过快、位向关系不合理及组织形貌杂乱无序等问题,模拟结果与实验结果符合较好。（4）研究了NiTi形状记忆合金微观结构与其力学行为的关系;在微观层次上基于相场理论,通过与宏观层次连续介质力学间的联系,构建了宏-微观计算模型。该模型根据材料相变过程中微观结构形貌的演化,获取用于宏观力学分析的等效弹性模量与等效相变应变,进行宏-微观分析。应用此模型对NiTi形状记忆合金加载和卸载过程进行分析,模拟结果能够在展现微观结构的形貌特征的同时,呈现NiTi形状记忆合金特有的超弹性,验证了所提模型的可行性和有效性。研究结果表明,上述围绕相场模型的改进方法,可以有效解决相场模拟计算量大,无法进行大尺度模拟的问题,模拟结果具有良好的计算效率和可靠的计算精度,对推进NiTi形状记忆合金在结构控制方面的应用具有理论指导作用。