金属材料作为一种历史悠久的结构材料,一直在许多领域中都发挥着无可替代的作用。随着科技的飞速发展,对金属材料的力学性能也提出了更高的要求。纳米结构金属材料因其表现出许多不同于常规粗晶金属材料的优异性能而进入了大众的视野。但随着研究的深入,人们发现对于纳米结构金属材料,在一定特征尺寸范围内,其强度虽然依旧会随着晶粒尺寸的减小而增加,却牺牲掉了材料的韧性。而且大量的晶界储存了较高的能量,这往往会导致纳米金属材料的热稳定性和机械稳定性降低。强韧倒置困境以及纳米金属材料的稳定性问题,极大地限制了这种新材料的加工和技术应用。近年来,研究发现通过在纳米尺度上调整一些低能界面的分布,可以显著提高纳米金属材料的综合性能,这为开发具有高强高韧性能的纳米材料提供了新的可能。而通过原子尺度的模拟,从本质上探究界面结构在材料变形过程中起到的调控作用,可以帮助人们更加深入地理解微纳尺度下,界面结构对材料性能的影响以及强化机制。这对指导研发和设计具有优异综合性能的纳米结构金属材料具有重要意义。本为针对纳米金属材料中晶界、异质界面以及孪晶界等界面结构对材料力学性能及变形机制的影响进行了研究。对于晶界,重点研究了第二相元素在晶界偏聚对晶界稳定性以及塑性变形和高温蠕变变形的影响;对于异质界面和孪晶界,重点研究了金属多层材料中多种界面结构同时存在时,对材料力学性能及变形机制的影响。主要工作包括以下四个部分:第一、模拟研究了第二相元素钼原子在纳米晶镍的晶界偏聚前后材料的单轴拉伸力学行为。建立了钼原子在晶粒内随机分布和在晶界偏聚的多晶镍模型.通过分子动力学方法考察了偏聚效应对纳米晶材料力学性能及变形机制的影响。结果表明钼原子在晶界偏聚可以有效避免纳米晶镍在临界晶粒尺寸下出现的软化行为。为了探究晶界偏聚效应对材料强化的潜在机制,构造双晶模型研究了钼原子在晶界偏聚对晶界能量和迁移能力的影响。发现钼原子在晶界偏聚可以显著降低晶界能,且在一定范围内,偏聚的钼原子比例越高,晶界能越低;同时钼原子在晶界偏聚也可以有效抑制双晶镍中由曲率驱动的晶粒生长,证明了偏聚效应可以降低晶界的迁移能力。通过对比钼原子偏聚前后的平衡构型图还发现,钼原子在晶界偏聚破坏了晶界处作为位错源的位错结构,从而在一定程度上抑制了位错形核,这也是对材料起到强化作用的微观机制之一。第二、模拟研究了第二相元素钼原子在纳米晶镍的晶界偏聚前后材料的蠕变行为。建立了纯镍和有钼原子在晶界偏聚的三维多晶模型,通过原子尺度模拟,系统地考察了外加应力、晶粒尺寸、温度以及晶界处偏聚钼原子浓度的影响。研究表明,有钼原子在晶界偏聚时纳米晶镍的蠕变率会显著降低,通过对比由模拟结果推算出的活化能,发现与纯镍相比,晶界有钼原子偏聚时需要更高的能量来激活蠕变机制,这使得蠕变更难发生,从而提高了材料的抗蠕变性能。通过应力指数和晶粒尺寸指数分析,得出晶界偏聚效应下,低、中、高三种不同应力状态对应的蠕变机制分别为扩散、晶界滑移和位错活动。表明有钼原子在晶界偏聚时,外加应力和晶粒尺寸对蠕变率的影响依然遵循经典的Bird-Dorn-Mukherjee方程。通过统计不同应力状态下偏聚效应对材料蠕变应变率的影响幅度,发现偏聚效应对由晶格扩散主导的蠕变过程影响不大,而对由晶界行为以及位错活动主导的蠕变过程有显著影响,且钼原子在晶界偏聚浓度越高,蠕变速率越低。第三、模拟研究了单晶多层铜/银合金材料的拉伸力学行为。建立了单晶的铜/银多层材料模型,通过分子动力学方法,系统地考察了不同异质界面结构、材料层厚以及引入孪晶后孪晶厚度对材料力学性能以及变形机制的影响。模拟结果表明,异质界面的存在可以提高材料的强度,且材料的强度随着异质界面密度的增加而增加,而且由于Hetero-Twin（HT）界面和Cube-On-Cube（COC）界面的结构差异,HT界面对材料有更好的强化作用。另外,通过在铜/银多层材料中引入孪晶界,可以实现材料的二次强化,同时孪晶界对多层材料的强化作用依然近似地遵循Hall-Petch关系。值得注意的是,进入塑性变形阶段,首个位错形核的位置在多层材料内部,而不在异质界面处。通过自适应NEB方法计算了位错在不同位置形核的激活能,证实了位错在远离异质界面的孪晶层内形核需要克服的能量壁垒更低。第四、模拟研究了多晶多层铜/银合金材料的拉伸力学行为。建立了柱状多晶铜/银多层材料模型,基于分子动力学方法考察了晶界、异质界面和孪晶界同时存在时对材料力学性能及变形机制的影响。研究结果表明,晶粒尺寸和材料层厚在调控材料性能过程中存在竞争机制,当界面为COC界面时,材料强度主要取决于晶粒尺寸,随着晶粒尺寸减小而增加,而当界面为HT界面时,材料强度受特征尺寸较小的结构影响更大。在层厚与晶粒尺寸比足够小的模型中,发现多晶多层材料的变形机制会由位错活动转变为异质界面的相对滑移,而这种由异质界面滑移主导的塑性变形会导致材料的强度出现明显下降。对于含有孪晶的多晶多层材料,其流动应力随着孪晶厚度的减小而增加,但同时,由于晶界和孪晶界在调控材料塑性变形过程中存在竞争关系,所以随着晶粒尺寸的减小,流动应力对孪晶厚度的依赖性逐渐减弱。