由于具有比强度高、耐腐蚀性好、密度低和耐高温等优点,TC4合金成为航空航天领域最重要的结构材料之一。近年来,激光选区熔化技术（SLM）因具有快速、精密制造复杂形状和难成形材料的优势,在TC4合金的加工方面展示出巨大的应用价值。当前研究表明SLM-TC4具有复杂的组织结构,如多级针状马氏体、改变马氏体分布特征的原始β相柱状晶以及难以避免的加工缺陷（气孔）,对其力学性能产生重要影响。然而,由于缺乏有力的力学表征方法,目前对于不同组织结构因素与宏微观力学性能之间的关联性研究仍较为薄弱。因此,阐明SLM-TC4不同组织结构对力学行为的作用具有重要的科学意义和工业价值。本文利用具有载荷与位移精度高、损伤小和效率高的纳米压入技术,结合有限元模拟和实验表征,研究了SLM-TC4中不同显微组织与缺陷对球型压入行为的影响作用,并进一步对比研究了三轴应力场压入与单轴应力场拉伸两种测试方法下SLM-TC4应力-应变关系的差异,指导球型压入方法的工程应用。主要研究结果如下:1.球型压入实验分析组织结构作用。利用两个尺寸(Ri1=10μm,Ri2=100μm)的球型纳米压入研究了SLM-TC4不同方向的微观力学性能。研究发现球型纳米压入行为存在明显的组织敏感性,其中均匀马氏体组织作为材料强度的主要贡献者硬度可以达到3.273 GPa以上;原始β相晶界区域以及孔缺陷的存在导致硬度降低约47.14%;同时导致垂直于加工方向的硬度较平行于加工方向偏低4.19%。2.有限元验证分析原始β相晶界区域的作用。分析晶界区域特征和压入硬度测试过程,建立含有晶界区域的近似有限元仿真模型。对初期接触载荷-位移曲线和最大正应力进行分析,有限元模拟和理论计算结果一致,证明了有限元模型合理。模拟分析结果验证了原始β相晶界区域对球型纳米压入行为组织敏感性的贡献作用。晶界区域的存在会降低硬度的测试值,并且导致垂直于加工方向上出现更低的硬度。同时晶界区域的贡献作用与压入点的相对距离有关。3.有限元验证分析孔缺陷的作用。通过实际孔缺陷特征分析,针对孔缺陷的几何尺寸、空间位置和几何形状变化建立近似有限元仿真模型。分析验证了孔缺陷对球型纳米压入行为组织敏感性的贡献作用。其中孔缺陷的存在易产生应力集中导致硬度测试值出现偏低,并且贡献作用受孔缺陷的几何尺寸和空间位置的影响。孔缺陷几何形状和空间位向的差异会导致垂直于加工方向出现更低的硬度。4.对比研究两种应力-应变曲线。通过分析经验物理法理论模型,建立有限元仿真模型及设计两种尺寸的纳米压入实验,对三轴应力场压入应力-应变曲线和单轴应力场拉伸应力-应变曲线在SLM-TC4上的测试结果进行比较分析。研究表明,压头尺寸和接触圆半径计算方法会显著地影响纳米压入表征应力-应变曲线的结果,选择较小尺寸的纳米压入实验可以有效地代替宏观拉伸应力-应变曲线表征结果,置信度可以达到86%以上。