机械产品材料表面力学性能直接关乎其服役工况下使役性能和寿命。应力诱导的表面磨损和疲劳失效等表面力学性能衰退现象成因复杂,且难以有效预测,改善并提升机械产品表面力学性能是现代机械工业不断发展进步的客观需求。与此同时,传统机械加工和表面压印加工（如纳米压印加工、仿生功能表面制备等）或引发材料表面堆积现象和残余应力积聚效应,从而进一步加剧表面力学性能的退化。因此,提升材料表面力学性能是改善机械接触工作表面的直接途径。自然界生物基于其特有的形态、微观结构和非均质材料特性呈现出极其优异的表面力学性能,如耐磨、减阻、止裂、抗疲劳等,为通过机械产品表面仿生设计与制备改善接触工作表面的力学性能提供了直接模本参考。本文通过优选贝壳、啄木鸟喙为生物模本,基于结构、材料、形态三元耦合仿生设计原理,构建多孔结构、表面涂层材料、二级压痕形态耦元,选取了多孔结构、异质材料、凹坑形非光滑形态开展镁合金基铝涂层仿生材料设计与制备。通过纳米压痕、划痕测试研究材料的力学性能,与此同时,提出了基于二次压入的表面堆积平坦化和残余应力释放方法,并通过仿真分析和试验表征验证了该方法的可行性。本文围绕以下三个方面阐述研究工作:（1）耦合仿生体的制备与表面力学性能研究。基于耦合仿生构建的原理和方法,以具有优异耐磨性能的贝壳和啄木鸟喙为生物模本,制备具有多孔特性的镁合金基体,优选航空铝合金为靶材,利用磁控溅射技术制备以镁合金为基体的功能涂层,制备二元耦合仿生体。在此基础上,对一元（镁基铝合金涂层）、二元（多孔镁基铝合金涂层）耦合仿生体的纳米压痕/划痕响应及表面力学参数（硬度、弹性模量等）进行了试验测定,分析了不同的耦合因素对耦合仿生体表面力学行为的影响。此外,采用维氏压痕技术制备了特征尺寸在微米级尺度的凹坑形态耦元（三元形态）。考虑到压入加工技术制备凹坑形态耦元产生的残余应力积聚和伴随的压痕边缘堆积现象,提出了一种可同步释放压痕内部残余应力并促进表面平坦化的方法,即二次压入法。该方法包括使用维氏压头初始压入产生凹坑形态耦元（即一级压入）,以及利用立方角压头在已成形的凹坑楔形面施加纳米级的二次压入。据此研究耦合仿生和二次压入对多孔基涂层材料表面力学性能的定量影响。（2）二次压入有限元仿真分析。运用有限元软件ABAQUS创建了铝合金表面二次压入仿真分析模型,通过分析一级压入和二次压入后的应力分布、特征节点路径上的应力数据、单元集合内能数据三个方面验证了二次压入方法对表面力学性能的有效改善。分析结果证实了二次压入诱导表面产生了显著的残余应力释放和内能耗散,并建立了二次压入的深度和位置与残余应力释放值和内能释放的相关性。研究发现,当二次压入深度为500 nm,压入位置距试样中心横向距离为4.00μm时,获得了33.03%的应力释放和6.044×10^-8 J的内能释放。（3）二次压入诱导平坦化和残余应力释放的试验研究。基于提出的二次压入法,通过实验手段制备了一级维氏压痕,并在已成形的一级维氏压痕凹坑楔形面通过立方角压头制备二次压痕。压入试验表明,二次压入产生的立方角压痕位于初始压入产生的凹坑形单元内部,与维氏压痕边缘相邻。通过选取垂直于维氏压痕棱边的对称面作为参考路径,结合初始压痕和二次压痕边缘的原子力显微镜（AFM）表征分析,验证了二次压入诱导的显著堆积平坦化,边缘堆积高度降低368.7±46 nm。与此同时,通过对压痕微区的X射线衍射（micro-XRD）分析,揭示了二次压入诱导的显著结晶度降低和残余应力释放,进一步试验验证了二次压入法可释放压痕内部残余应力并促进表面平坦化。