立方晶系金属材料在工程上有着广泛的应用,其多晶体具有各向同性的力学及物理性质。材料的变形机理及其相关研究对工程设计的指导意义重大,尤其对于在高温等严苛环境下服役的材料。为此,本文主要着眼于多晶立方晶系金属材料本构关系的建立,并考虑了内在的变形物理机制及对实验结果的模拟与预测。工程中,外载的形式多种多样,其中循环载荷最为常见,所以建立具有普适意义的多轴循环塑性本构模型十分必要。另一方面,以蠕变为代表的时间相关特性也极大影响着材料的稳定性及寿命等,如何将材料的变形行为与其时间相关特性联系在一起并给出精准的定量分析是本文的宗旨。本文首先在宏观尺度上分析了基于热力学与连续介质力学的统一黏塑性模型,讨论了其方程的组成与参数的确定,并通过实验验证了模型的合理性。统一黏塑性模型不能描述加载历史对于应力松弛行为的影响,本文通过对背应力中静态回复项的修正,建立了新的统一黏塑性模型,并成功地描述了加载历史对应力松弛行为的影响。为了进一步分析立方晶系金属材料的循环塑性与时间相关特性的耦合影响,本文设计了一系列关于316L不锈钢的蠕变与疲劳耦合实验,对相关力学现象做出了分析。通过实验结果与统一黏塑性模型的计算结果对比发现,静态回复项虽然提升了模型对于材料时间相关行为描述的精准性,同时也造成了蠕变应力松弛耦合实验中塑性应变率不合理的演化。此外,本文基于“非统一”的思想提出了一种非统一黏塑性模型,通过与316L不锈钢的实验结果对比发现,非统一黏塑性模型中引入的稳态项能很好地提升模型对于材料时间相关特性描述的精准度,同时也并不存在静态回复项造成的不合理塑性应变率演化问题。由于宏观本构模型是唯象的,缺乏相关物理意义,也没有包含材料的内禀尺寸,所以并不能用来描述在微小尺度下材料展现出的一些奇特的尺寸效应。而材料在微尺度下循环塑性以及蠕变等力学行为急需相关的理论模型,因此,本文在分析了相关实验数据后,从经典的Taylor准则出发,根据几何必需位错及其相关物理意义,建立多晶细铜丝对称循环扭转的本构模型,成功描述了微尺度循环扭转的强度增强、包辛格效应、以及塑性回复等现象。此外,本文也探讨了多晶细铜丝在微尺度下的扭转应力松弛行为。经典的Orowan公式描述了晶体材料的塑性应变率与可动位错密度以及位错速度之间的关系,而在微尺度下,应变梯度引起了大量的几何必需位错(Geometrically Necessary Dislocation,GND)的产生,从而导致位错密度的急剧升高。所以由Orowan公式给出的塑性应变率需要包含GND带来的影响。本文推导出了多晶细铜丝扭转应力松弛下的塑性应变率方程,并与宏观的循环塑性模型结合,建立了基于物理意义的非统一循环塑性模型,成功描述了多晶细铜丝扭转的重复应力松弛行为。最后,本文进行了尺寸为微米左右的单晶铜微梁原位观测下的弯曲应力松弛实验,揭示了在更小尺寸下材料受非均匀变形条件下的时间相关特性。在该尺度下,位错密度已经不能作平均的量化统计,而且位错在局部上离散分布,所以基于连续介质力学的应变梯度理论已经不再适用。在单晶铜微梁的弯曲应力松弛实验中发现塑性应变率随着尺寸的减小而增大,这与已有的关于微柱压缩蠕变工作所得出的结论相反。通过热激活理论的分析发现,这是由于非均匀变形导致的GND的一部分塞积在微梁的中性层,不能自由地从试件表面逃逸出去,故而增加了整体可动位错密度,所以微梁越小,其塑性应变率反而越大。