近些年来,各种微机电系统(MEMS)层出不穷,其构件通常都是小至微米甚至纳米级别。在金属材料中引入梯度结构,可使材料的多种优良性能得以结合,提升材料的整体综合性能。金属材料的梯度结构主要包括:晶粒尺寸梯度、位错密度梯度、孪晶层片厚度梯度、固溶浓度梯度、相梯度以及混合梯度等。研究具有位错密度梯度结构材料的力学性能,具有重要意义。为此,针对Cu单晶微柱,本文开展了如下研究:(1)通过三维离散位错动力学模拟方法对非均匀位错密度Cu单晶微柱的力学响应进行了系统的研究,模拟了无梯度的均匀位错分布、较小位错密度梯度、较大位错密度梯度3种位错源模型的压缩过程。结果表明:位错行为为Taylor硬化机制时,位错密度梯度结构Cu单晶微柱的弹性模量较大;位错源激活产生的位错环快速滑移至样品表面并逃逸,整个过程中模型的整体位错密度无显著增加;位错密度梯度模型中,由于位错密度最小的区域有最低的局部临界流动应力,因此最先发生塑性流动;塑性强化阶段,应力从位错密度最小(低局部流动应力)区域向密度更大(高流动应力)区域重新分配,导致应力在屈服阶段呈现阶梯增加的强化趋势,位错密度梯度越大,强化的阶梯性也越明显。(2)进一步研究了位错行为为位错源激活机制时梯度位错结构Cu单晶微柱的压缩响应,发现塑性行为由位错源激活主导时,位错密度梯度不同的微柱压缩的临界屈服应力与梯度无关,塑性流动阶段只有少数几个甚至一个位错源发生激活,硬化率几乎为0。因此,位错密度梯度结构对材料力学性能的影响只有塑性变形满足Taylor硬化机制时才需要考虑,当塑性变形为位错源激活机制时,可以忽略材料中位错密度梯度的影响。(3)位错行为为Taylor硬化机制时,位错密度梯度模型在不同加载方向下的力学响应研究表明:平行于梯度方向加载的梯度位错模型有更少数量的主滑移系开动,进而有更高的临界屈服应力;加载方向垂直于位错密度梯度方向时,位错开动顺序是由位错密度最小的层逐层发展到位错密度更大的层,且会产生多个滑移带,整体的塑性变形更加均匀;加载方向平行于位错密度梯度方向时,位错的开动主要发生在模型的中间层,并逐渐向相邻层扩散,位错的滑移主要发生在一个滑移面上。