亚微米晶体塑性具有许多奇特的力学行为，是近几年力学和材料学的研究热点。位错是塑性流动的基本载体，在该尺度下位错运动的离散性显现，基于连续介质力学的传统塑性理论不再适用，原子模拟在该尺度下也受到时间和空间的限制。为了描述位错微结构演化，揭示塑性行为特性，本文以三维离散位错动力学（3D-DDD）为基础，研究了产生亚微米晶体特殊塑性流动现象的离散位错机理。常温下单晶体内部位错拥塞结构形成的临界尺寸处于亚微米尺度。小于临界尺寸时，表面影响突出，位错连接孤立存在，增殖以螺旋型方式为主，由于位错不易存储，应变硬化过程呈现强烈的时空非均匀性；大于临界尺寸时，位错会发生强烈拥塞，位错连接呈链状分布，形成位错胞结构，增殖以Frank-Read源为主，林硬化机制控制塑性流动。高温条件下位错攀移是重要的运动形式，而目前攀移计算模型大都仿照滑移建立，缺乏物理机制。本文则基于空位管扩散和体扩散理论，建立了空位浓度梯度与位错攀移速度的关系，并将其与3D-DDD耦合，实现了位错攀移的模拟，为研究高温条件下位错微结构演化及晶体塑性变形提供了有力工具。Bardeen-Herring位错源激活、棱柱位错环收缩湮灭等攀移主导的算例验证了该模型的精确性和有效性。研究表明管扩散比体扩散在促进位错攀移运动方面发挥了更重要的作用。另外，本文通过研究位错偶的溃灭过程，建立了位错偶分解的能量准则。为了克服3D-DDD方法在处理晶体形貌改变、复杂边界响应等方面的缺陷，本文通过耦合3D-DDD和连续介质有限元（FE）建立了统一的多尺度晶体塑性计算方法DD-FEM。该模型利用变量传递耦合方法，将DDD中位错滑移产生的塑性变形引入本构关系，利用FE更新应力场。同时，FE位移场和表面应力分布也与DDD保持实时共享，保证变形的同步性和镜像力计算的精确性。对Cu单晶柱均匀压缩的深入研究表明亚微米晶体内部位错结构的离散性是产生非均匀变形的原因，压头与柱体上表面的接触条件及柱体锥度对塑性行为也会产生较大影响。本文通过将3D-DDD与分子动力学耦合，建立了分层式的多尺度位错-晶界反应模型，考虑了位错与晶界间的穿透、吸收、再发射和反射等四种相互作用机制。Cu双晶微柱压缩的研究表明晶界提高了晶体位错储存的能力，通过产生应力释放机制提高了塑性流动的均匀性和可控性。