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本文采用纳米晶Ni为实验材料，利用高分辨率透射电镜研究了纳米晶的变形行为与结构。实验证实：纳米晶Ni中可发生孪生变形，并且纳米晶Ni中存在偏位错塑性；在纳米晶Ni中观察到三种孪生机制，即从晶界连续发射偏位错的非均匀形核长大、晶界的分解和随后的迁移以及层错的叠搭，其中第一种孪生机制占主导地位。主要研究内容如下：
⑴为了确保用同一种材料(相同的材料组份和相同的制作工艺)制备不同厚度的薄膜试样，进行拉伸、微弯以及微压痕实验，以考察同一种材料不同尺度下的力学行为。在Stolken和Evans(1998)纯镍薄膜拉伸和纯弯实验以及Guo等(2005)纯镍薄膜三点弯曲实验的基础上，我们对两种不同厚度的纯镍薄膜进行微压痕实验。在微压痕实验中，不同厚度纯镍薄膜的压痕硬度随着压入深度的减小而增加，与压入深度2μm时的压痕硬度相比，当压入深度为0.5μm时，压痕硬度约增加了0.4倍，而当压入深度为0.1μm时，压痕硬度约增加了1倍，进一步证实了微压痕实验中的尺度效应。
⑵采用相同的材料参数和内禀尺度，应用塑性应变梯度理论对纯镍薄膜的三点弯曲问题及微米压痕问题进行解析数值分析和有限元分析。分析过程中，没有拟合任何材料参数，所用的材料参数均来自Stolken和Evans(1998)实验测量的结果。首先，应用Fleck和Hutchinson(1993)的偶应力理论(CS理论)结合平面应变弯曲模型，建立考虑转动梯度影响的微薄梁三点弯曲的控制方程并应用Rouge-Kutta法进行求解，将理论计算结果与实验结果进行对比。结果表明偶应力理论预测的结果和实验结果符合得比较好，而经典塑性理论不能解释这种实验现象。然后，根据Fleck和Hutchinson(1997)的塑性应变梯度理论(SG理论)和最小势能原理，结合平面应变薄梁弯曲模型，建立既考虑转动梯度影响又考虑拉伸应变梯度影响的微薄梁三点弯曲的控制方程及边界条件，并应用拟牛顿法和龙格-库塔法进行求解，将理论预测结果和实验结果进行对比。结果表明塑性应变梯度理论预测的结果和实验结果符合得比较好，而经典塑性理论不能解释这种实验现象。最后，应用Chen和Wang(2000a)的塑性应变梯度理论分析微米压痕问题，结果表明应变梯度理论所预测的结果和实验结果符合得比较好，这也说明Chen和Wang(2000a)的塑性应变梯度理论能够很好地解释纯镍薄膜微米压痕尺度效应。
⑶通过纯镍薄膜三点弯曲问题以及微米压痕问题的理论分析，进一步证明了尺度效应的存在。对同一种材料(相同的材料组份和相同的制作工艺)的不同问题进行分析时，我们采用了完全相同的材料参数，理论分析结果与实验结果符合得都比较好。这也说明，对于相同的材料组份和同一种加工工艺下制作的同一种材料，材料内禀尺度确实是一个材料参数，它不随着分析问题的改变而改变。
⑷基于经典塑性理论应用ABAQUS有限元程序，对具有加工硬化弹塑性材料的圆锥形压头的压痕问题进行有限元计算。通过有限元计算结果的分析，给出无量纲化的压痕硬度及压入深度的标度函数。标度函数公式简单，使用非常方便。当幂硬化材料参数E、Y及n给定时，根据标度函数可以直接算出材料的压痕硬度，而不必进行压痕实验。