金属材料在工程结构中有着广泛的应用。其在服役过程中的破坏失效直接影响着工程结构的安全,因此如何预防破坏失效有着重要的意义。韧性断裂是金属材料破坏主要形式之一,其断裂机理的研究具有重要的工程意义和学术价值,一直受到国内外学者长期以来的关注。本文针对三种典型面心立方金属的韧性断裂进行了研究,主要采用多尺度实验表征技术分析韧性断裂全过程,同时应用有限元方法分析应力状态对断裂过程不同阶段的影响。具体来说,本文将韧性断裂分为三个阶段分别进行研究:空洞形核（nucleation）、长大（growth）和汇合（coalescence）。针对三种典型面心立方金属Al-Cu合金、单晶铜以及CrMnFeCoNi高熵合金,本文使用透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）表征了韧性断裂过程中空洞的形成、长大和汇合,并观测了空洞形核、长大及汇合过程中伴随的材料微观组织变化,统计分析空洞形成、长大和汇合的规律,并借助有限元分析方法,计算分析了韧性断裂不同阶段应力与微观组织变化的关系。通过将计算分析和实验测试结果对比,揭示了面心立方金属因空洞引起的韧性断裂的微观机理。本文主要由三部分组成:（1）Al-Cu合金在复杂应力条件下空洞形核行为。此前关于空洞形核的研究,主要集中于含有圆形、椭圆形或者近似圆形或者椭圆形的第二相的合金。本研究所使用的Al-Cu合金其第二相为呈长条状的θ相（Al2Cu）,该相在Al基体中的分布影响了在不同载荷作用下空洞形核行为。本研究对Al-Cu合金进行了单轴拉伸和双轴拉伸测试,并借助原位透射电镜（In-situ TEM）和扫描电镜,研究不同轴向应力比例下空洞形核的规律。从原位透射电镜及静态扫描电镜实验结果可得,空洞形核的位置大致可分为两类:空洞在基体形核和空洞在基体与θ相界面处形核。统计结果进一步表明在不同轴向应力比例状态下,基体/θ相界面处空洞形核的体积占皆大于基体内部的空洞形核。随着双轴应力比值增大,基体/θ相界面处空洞形核的占比增大,但形核的空洞总数量减少。在实验结果基础上,本文还建立含长条状第二相颗粒的代表性体积胞元模型,并在体积胞元上施加不同比例双轴载荷,模拟实验过程。通过调整模型的几何参数（第二相颗粒体积分数等）以及材料参数（基体及第二相颗粒模量和硬化系数等）进行参数研究。有限元数值模拟结果表明在双轴应力比值大于0.7情况下,空洞界面处形核的临界应力小于空洞在基体内部形核的临界应力。随着基体硬化系数的增大和第二相颗粒体积分数的增大,空洞在界面处形核和在基体内部形核的临界应力同时增大。当模型参数与实验用Al-Cu合金接近时,界面处空洞形核的临界应力远小于基体中空洞形核的临界应力,此结论与实验结果相吻合。（2）利用透射电镜原位实验技术研究三种典型的面心立方金属金属,Al-Cu合金、单晶铜及CrMnFeCoNi高熵合金,在韧性断裂过程中空洞汇合。实验观察到空洞汇合的三种主要模式:颈缩汇合,剪切汇合,以及变形孪晶相互错动引起的空洞汇合。研究结果表明不同层错能会导致空洞汇合模式不同:Al-Cu合金因其层错能较高,其空洞汇合主要是颈缩或者剪切模式;单晶铜虽和CrMnFeCoNi高熵合金相比具有较高的层错能,但两者层错能皆小于Al-Cu合金,因而两者的空洞汇合模式为变形孪晶相互错动引起汇合模式。本文还将实验结果与描述空洞汇合的经典模型McClintock模型和Brown-Embury模型进行了比较,结果表明空洞颈缩汇合之前,特别是在空洞长大的初始阶段,空洞的长大可以用McClintock模型来描述,且McClintock模型很好地预测空洞的汇合;而Brown-Embury模型需进行适当修正,才能与实验数据相符。基于原位实验结果,本研究还建立了有限元模型模拟韧性断裂裂纹扩展。通过数值模拟获得空洞长大和汇合过程中的Lode参数及应力三轴度T,结果显示剪切应力可以驱动非球形的空洞形核,并通过的剪切模式（两空洞连接带上形成剪切带和纳米孪晶）实现空洞汇合。（3）研究CrMnFeCoNi高熵合金在不同应力状态不同温度下裂纹扩展过程和微观组织变化。结合透射电镜原位实验与扫描电镜原位实验技术,设计了可实现不同应力状态的异形样品,从原子到微米尺度对高熵合金韧性断裂过程中微观结构变化进行了表征。实验结果表明,原位透射电镜拉伸样品在不同的区域会产生不同的微观结构。当样品变形区域平面平均应力到达非晶形成平均应力,且孪晶形成的临界剪切应力未达到时,此区域以形成非晶组织为主。反之,则此区域以形成孪晶为主。同时原位扫描电镜实验结果展示了变形孪晶对高熵韧性断裂过程不同阶段的影响及高温对高熵合金韧性断裂的影响。同时通过有限元分析,得出变形孪晶在复杂加载情况下形成的临界应力条件。本文研究覆盖了面心立方金属韧性断裂全过程,深入探讨了断裂不同阶段的作用机理,可为提高面心立方金属结构材料的延展性和抗损伤能力提供理论指导,为开发新型高性能金属材料提供理论支持。