生物硬组织材料具有独特的结构和优良的力学性质。研究生物硬组织材料的力学性质不仅可以为预防和治疗与硬组织相关的各种疾病提供帮助，而且还可以指导工程材料的设计与加工。皮质骨、牙釉质和牙本质是人体中重要的硬组织。这些硬组织因其重要的作用而受到广泛的关注。尽管目前有很多关于皮质骨、牙釉质和牙本质变形与断裂性质的研究，但是由于自身所具有的复杂的分层次结构，这些生物硬组织材料的变形与断裂机理尚没有完全被理解。本文利用实验与数值模拟相结合的方法研究了皮质骨、牙釉质和牙本质三种生物硬组织材料的力学性质，探讨了变形与断裂机理，并根据牙釉质的微观结构进行了仿生材料设计。本文的主要工作如下：（1）采用紧凑拉伸实验测量了皮质骨的裂纹扩展阻力曲线，研究了横向和纵向裂纹扩展的增韧机理，并用多维虚内键模型模拟了皮质骨的裂纹扩展。测量了皮质骨横向和纵向的疲劳裂纹扩展速率，发现了横向短裂纹的扩展规律。皮质骨具有各向异性的裂纹扩展阻力曲线，横向断裂韧度大于纵向裂纹扩展的断裂韧度。这种各向异性的裂纹扩展阻力性质与皮质骨的增韧机理有关。纵向裂纹扩展的主要增韧机理是裂纹尾部由未断裂的骨组织形成的裂纹桥联，而横向裂纹扩展的主要增韧机理是裂纹偏斜和裂纹分叉。基于多维虚内键模型的数值模拟方法能够表征皮质骨的各向异性裂纹扩展性质，同时还准确描述了横向裂纹扩展路径的偏斜，这表明多维虚内键模型可以有效地用于皮质骨裂纹扩展的研究中。当裂纹长度超过1mm时，皮质骨的纵向和横向疲劳裂纹扩展都可以用Paris定律描述，但是这种疲劳裂纹扩展性质也是各向异性的。纵向疲劳裂纹扩展速率要大于横向疲劳裂纹扩展速率。当裂纹长度小于1mm时，皮质骨的横向疲劳裂纹扩展速率随着应力强度因子幅度的增加而降低，此时疲劳裂纹扩展不满足Paris定律。（2）牙本质的显著特征是其内部存在的牙本质小管，这些牙本质小管对牙本质的力学性质有重要影响。本文利用数值模拟研究了牙本质沿各个方向和不同部位的裂纹扩展阻力性质。牙本质具有各向异性的裂纹扩展阻力曲线，裂纹沿牙本质小管扩展的断裂韧度大于裂纹垂直于牙本质小管扩展的断裂韧度。牙本质的裂纹扩展阻力性质与区域有关，表层牙本质的断裂韧度大于深层牙本质的断裂韧度，而中层牙本质的断裂韧度介于二者之间。（3）应用纳米压痕和微米压痕法测试了牙釉质沿厚度方向的力学行为，结合数值模拟研究了牙釉质的梯度力学性质。牙釉质的弹性模量和屈服强度沿厚度方向呈现梯度变化，内层牙釉质的弹性模量和屈服强度小于外层牙釉质的相应值。与外层牙釉质相比，内层牙釉质具有更好的能量耗散性质，但是较差的抵抗变形能力。牙釉质的这种梯度力学性质使其能很好地抵抗变形，减少断裂和增加韧度。（4）使用纳米压痕法发现了牙釉质的损伤行为，基于实验结果提出了牙釉质在压痕载荷作用下的损伤模型。纳米压痕实验发现在卸载阶段，牙釉质的刚度降低，表明发生了损伤。为了解释实验现象，本文建立了一个损伤模型，模型考虑了在压痕载荷作用下牙釉质中的蛋白质发生剪切变形导致其中的大分子链断裂的物理机制。基于此损伤模型的数值模拟结果与实验吻合很好，表明了模型能够准确描述牙釉质的损伤行为。同时数值模拟结果表明牙釉质的损伤行为与区域有关，内层牙釉质的损伤大于外层牙釉质。通过考虑蛋白质的变形机制建立了一个解析模型来解释这种与区域有关的损伤行为。（5）牙釉质具有分层次的复杂的结构。在微米尺度上，釉柱和富含蛋白质的釉壳是其基本组成相；在纳米尺度上，釉柱是由矿物质晶体和蛋白质组成的复合材料。矿物质晶体在釉柱中呈现非一致的排列方式。本文利用多尺度有限元模拟揭示了牙釉质中矿物质晶体在釉柱中的非一致排列对牙釉质力学性质的影响。根据牙釉质的分层次的结构，并考虑蛋白质的非弹性变形，建立了牙釉质的微观力学模型。基于此模型的数值模拟表明釉柱中矿物质晶体的非一致排列使牙釉质具有很好的能量耗散性质，同时又保持了足够高的刚度。牙釉质的这一重要性质使其能有效地抵抗变形，同时提高了其断裂韧度，保持了结构的完整性。（6）基于釉柱中矿物质晶体的非一致排列特征进行了仿生材料设计。根据牙釉质的基本组成物质—矿物质晶体和蛋白质的力学性质选择镁合金和聚甲基丙烯酸甲酯为基本材料设计了一种复合材料。这种复合材料能同时具有较高的刚度和较大的能量耗散，并且这种性质不依赖于增强相的体积分数、增强相的几何形貌以及镁合金的排列角。（7）釉柱在牙釉质中呈现出不同的形貌。在靠近牙齿咬合面的外层牙釉质，釉柱比较平直；而在靠近釉牙本质界面的内层牙釉质，釉柱呈现弯曲的波状形貌。本文根据内层牙釉质中釉柱的波状形貌设计了一种复合材料，讨论了增强相的几何参数和体积分数对设计的复合材料力学性质的影响。数值分析结果表明设计的复合材料的刚度和能量耗散能力受增强相的尺寸和弯曲角度影响。通过选择合适的增强相几何尺寸和弯曲角，设计的复合材料也可以同时具有很高的刚度和较大的能量耗散，这一性质对增强相的体积分数不敏感。