纳米晶材料所具备的一系列特殊性能均与显著增大的纳米晶界体积分数有关，纳米晶材料的性能是由纳米晶界的结构和能量状态决定的，需要从材料热力学的角度进行深入分析。在本研究组建立的金属纳米晶热力学模型的基础上，本文分别对金属纳米晶和纳米尺度下合金化合物的热力学特性、热稳定性及相变特性进行了系统的研究。 首先对金属纳米晶的基本热力学函数和热力学特性进行了模拟计算，表明其均为温度和过剩体积的确定型函数。利用晶界与晶粒内部原子排列密度的假设，推导出晶界过剩体积与晶粒尺寸的近似关系式，并进一步获得了金属纳米晶热力学特性的纳米尺寸效应。 应用金属纳米晶热力学模型，计算和预测了铜纳米晶的热稳定性。应用纳米晶热力学/元胞自动机耦合模型，对铜纳米晶的等温和变温晶粒长大行为进行了计算机模拟。金属纳米晶热力学模型、计算机仿真和实验研究均证实铜纳米晶在一定温度范围内发生不连续快速晶粒长大的现象，由此说明了将三种研究方法相结合研究金属纳米晶热稳定性的合理性和可靠性。 通过对合金体系各计算参数的分析和对金属纳米晶热力学模型的修正，得到纳米尺度下合金体系化合物相的热力学分析模型。将其应用于纳米尺度下Sm-Co合金体系，分别计算了各化合物相的热力学特性与温度和晶界过剩体积的关系。由各化合物相吉布斯自由能与温度及过剩体积的关系，分析预测了纳米尺度Sm-Co合金化合物相的相对稳定性。以纳米晶Sm2Co17和Sm22Co7化合物为例，利用纳米晶合金热力学模型，对纳米晶合金相变特性与晶粒尺寸和温度的关系进行了预测，指出了二种化合物在室温下发生相转变的临界晶粒尺寸。对纳米晶Sm2Co17化合物的退火实验证实了当温度从500℃升高到600℃时，纳米晶Sm2Co17发生β-Sm2Co17向α-Sm2Co17的转变，此实验结果证实了热力学预测。 本文采用将金属纳米晶热力学模型、计算机仿真和实验研究相结合的研究方法，首先从热力学角度对纳米晶的热稳定性给出理论预测，再利用可视化定量化计算机仿真研究纳米晶组织的晶粒长大动力学，然后分别与实验结果相比较，彼此之间的相互验证保证了研究结果的准确性和可靠性。建立的纳米尺度二元合金体系相分析的热力学模型，将金属纳米晶热力学推广到应用更广泛的纳米晶合金热力学领域。合金相的稳定性及其相变规律的模型预测为本研究组开展的实验研究及新型纳米功能材料的研发提供了重要的理论依据。