随着载荷、尺寸、环境、缺陷等因素的变化,金属材料的力学性能、变形行为、断裂机理等都呈现出不同特征。对这些特征进行系统的定性与定量研究不但在材料的应用和可靠性设计方面具有实际的指导意义,而且对深入揭示金属材料的变形与断裂失效机制也具有重要的理论意义。目前,材料断裂失效过程中所产生的微观结构的变化以及断口形貌的定性表征工作已日臻完善,但定量表征工作尚需不断完善,尤其是对由材料的尺寸效应所引起的变形和断裂特征的定量评价罕见报道。鉴于上述研究背景,本论文选取了几种典型的具有不同晶体结构的金属材料(如：面心立方fcc结构AL6XN超级奥氏体不锈钢、体心立方bcc结构金属纯铁和密排六方hcp结构金属纯钛)作为研究对象,结合分形定量分析方法,分别对不同样品厚度、加载方式、温度及原始微观缺陷等影响下的力学性能、变形损伤与断裂行为以及微观位错结构进行了系统的研究。亚毫米尺度AL6XN超级奥氏体不锈钢的拉伸以及拉-拉疲劳性能、断裂行为和微观结构变化表现出一定的尺寸效应。拉伸实验中在相同应变速率条件下,随着样品厚度的增加,抗拉强度逐渐增加,但屈服强度的变化程度不大,同时表面的变形程度更为严重,断口的韧窝尺寸逐渐增加,表面和断口的分形维数也呈现出相应的增加趋势,位错结构从平面滑移方式为主转变为以形变孪晶为主。在相同应力幅下的疲劳实验中,样品越厚,疲劳寿命越高,塑性变形能力越大。塑性变形能力的差异对疲劳断口的形貌特征有显著影响,即随着厚度的增加,疲劳源区的微观形貌特征从解理逐渐转变为准解理,裂纹扩展区的塑性疲劳条带特征更为显著,瞬时断裂区的韧窝尺寸逐渐增大,疲劳断口每个区的分形维数也相应地随厚度的增加都呈现出增加的趋势。疲劳变形后微观位错结构的尺寸效应体现在：随样品厚度的增加,疲劳变形的微观结构特征从纯平面／波状滑移位错结构形貌逐渐转变为形变孪晶逐渐增多的形貌特征。总之,AL6XN不锈钢变形微观结构的尺寸效应能很好地反映出其力学行为的尺寸效应。不同应力幅下AL6XN超级奥氏体不锈钢疲劳断口的SEM观察结果表明,疲劳断口的形貌特征与外加应力幅有密切关系。随着应力幅的增加,疲劳源区的微观形貌从解理台阶和脆性疲劳条纹组成的形貌逐渐转变为具有规则条纹和二次裂纹的形貌,裂纹扩展区的塑性疲劳条带间距略有增加,瞬时断裂区的形貌均呈现出相似的韧窝特征。疲劳寿命与断口扫描轮廓线分形维数之间的关系为分形维数越高,疲劳寿命越低。疲劳源区和疲劳裂纹扩展区分形维数的类似变化趋势表明疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命对整个疲劳寿命的权重基本相当。总应变幅控制下含晶界孔洞粗晶工业纯铁的循环变形行为和疲劳断口的分形分析表明,含晶界孔洞粗晶工业纯铁循环应力响应均呈现出初始循环软化,然后循环硬化直到断裂,但是循环应力响应曲线未出现饱和阶段。原始存在的晶界微观孔洞有助于沿晶扩展方式成为裂纹扩展的主要扩展方式。无论总应变幅的高低,疲劳裂纹扩展区扫描轮廓线的分形维数总是比裂纹源区或瞬时断裂区的分形维数大,因此含晶界孔洞粗晶工业纯铁疲劳裂纹扩展区的寿命占据总疲劳寿命的大部分。在较高的总应变幅下,位错胞结构成为主要的微观位错结构特征。不同温度下粗晶工业纯钛的拉伸变形和断裂行为具有较高温度敏感性。随着温度的升高,屈服强度、抗拉强度、应变硬化指数都逐渐降低,但延伸率反而增加。沿着剪切带方向的孔洞数量和尺寸随温度的升高而增加,同时靠近断口的表面上扫描轮廓线的分形维数也相应地增加。在拉伸断口所产生的韧窝尺寸随温度的升高而逐渐增加,而断口的平均分形维数(粗糙度)也逐渐增加。粗晶工业纯钛拉伸变形后的微观结构变化与温度变化有相关性。随着温度的升高,粗晶工业纯钛的塑性变形方式从孪生主导变形转变为位错滑移主导变形。这与变形和断裂形貌的分形分析结果较好符合。