随着高精度、高可靠性和小体积的微纳设备及系统的迅速发展,纳米加工等超精密制造技术的重要性日益凸显。梯度多晶材料兼具高强度和优良塑性/韧性,成为超精密制造领域的重要加工材料。然而,对于梯度多晶力学性能及变形机理理解的缺乏,严重阻碍了该种材料的实际应用。本文采用分子动力学仿真方法,从微观角度研究梯度多晶材料纳米压痕过程。首先,基于VORONOI方法,构建梯度多晶铜和圆锥形压头三维分子模型,并将模型的原子分为普通晶粒、晶界和三叉晶界等三类以便后续分析。在仿真条件设置中,采用周期性边界以模拟无穷大尺寸,应用嵌入原子势刻画铜原子之间的相互作用。其次,基于赫兹理论、晶体塑性变形理论和位错动力学等研究了梯度多晶铜纳米压痕过程的微观变化。分析压头载荷随位移变化过程,将整个压痕过程分为弹性变形和塑性变形两部分,拟合弹性变形阶段载荷;提取压痕表面原子,绘制压痕形貌轮廓,计算压痕尺寸;分析各个晶粒层在压痕过程中位错等缺陷的生成、运动与分布以及塑性变形区域位错密度变化;研究各个晶粒与晶界的运动变化;分析发现,由于特殊的梯度晶界结构,原子势能与原子应力也呈梯度分布。最后,改进压痕接触区域提取算法与塑形区域提取算法,提高其计算效率;仿真了圆锥压头的单晶铜和两种双晶铜纳米压痕过程,为后续梯度多晶铜的压痕结果分析做铺垫;基于分子动力学纳米压痕硬度计算方法,计算分析梯度多晶铜硬度随压头位移的变化规律,发现纳米压痕硬度整体表现出尺寸效应,梯度晶界能够阻塞位错下移,进而增强硬度,并且晶界效应导致的硬度局部波峰之间的间距逐渐增大,并采用N-G模型解释尺寸效应与晶界效应,验证了仿真结果的正确性;仿真了压头位移为2nm、10nm和20nm的压痕卸载过程,并分别计算其弹性模量。