纳米晶材料具有非常奇特的物理和机械性能,纳米材料的开发和研究一直十分活跃,因此,了解纳米晶生长的机制,从而提高纳米晶材料制备的效率,控制纳米材料的显微组织,是非常有价值的热点研究。而随着计算机的出现,材料中显微组织、演变机理和性能的模拟研究已经成为现代材料科学的重要组成部分。另一方面,镁合金作为21世纪绿色环保工程材料之一,日益广泛用于工业界各个方面,但其时效强化效果不佳,因而晶粒的纳米化也许是镁合金打破应用瓶颈的潜力方案。另外,对于实际合金纳米多晶等温生长的模拟还未见报导,因此本文将运用相场法,模拟研究AZ31镁合金纳米晶不同退火温度下的生长演变。已有研究建立了真实时空的微米尺度的多晶长大相场模型,本研究扩展了该模型到纳米尺度。模型改进了之前使用的局域自由能密度表达式,以模拟真实时空多晶AZ31镁合金从纳米到微米尺度晶粒生长的全过程。针对初始状态的变化,重新研究了模拟参数的物理取值,通过模拟计算得知,纳米晶的晶界作用域取值必须在保持物理意义的前提下取最大值,因此必须覆盖相邻的两个纳米晶粒,大约是从40 nm到400 nm,而微米晶界作用域取一个较大的1.2μm左右的值。系统地考察了各个模拟参数的取值与显微组织演变的关系,实现了从纳米到微米晶粒的生长全过程的模拟。本研究模拟了不同温度下不同尺度AZ31镁合金晶粒长大的演变过程,与实验结果进行了比较。模拟结果表明纳米晶界面能较微米晶界面能值小,同时研究发现纳米晶粒生长速度远低于微米晶,模拟结果得到了有限的文献中实验结果的验证。晶粒生长指数从纳米结构到微米结构由5逐渐降为2,该模拟结果也与实验结果相一致。论文针对纳米晶生长的特点,通过其界面能动性和界面能低的物理性质进行了机理讨论。本研究还考察了纳米晶结构和微米晶结构中晶界处成分偏析的情况。模拟结果发现纳米晶结构中溶质原子在晶界处的偏析比微米晶更严重,而温度对不同尺度晶粒的晶界偏析影响相同,这可能是导致纳米晶具有较低的界面能动性的原因。本研究继续模拟了纳米结构和微米结构AZ31镁合金中A1原子扩散微观因素对晶界偏析和晶粒长大的影响。得到了如下结论：Al成分的分布在弯曲界面附近比平直界面附近更加不均匀；扩散迁移率的取值越大,晶界偏析程度越高：当扩散迁移率的值取到足够大时,继续变化扩散迁移率,其对生长过程中晶粒平均尺寸的影响很小。另外,本文模拟研究了纳米晶与微米晶等温晶粒长大后的混晶度。研究表明,随退火时间的延长,纳米晶的混晶度增幅比微米尺度更明显。因此,本研究建议通过控制退火时晶粒长大过程,在纳米结构中引入少数异常长大的晶粒以提高塑韧性,同时又不降低强度,这也许会成为改善纳米材料性能的一种新方法。因此,本文模拟研究了纳米结构AZ31镁合金中晶粒异常生长的规律,模拟发现,通过控制局域储存能,或界面能,或界面能动性三个微观因素,可以实现在纳米基体中出现局部的晶粒异常生长,以构造期望的晶粒混合的理想显微组织。但模拟表明局部这三个因素的差异必须分别大于临界值才能发生晶粒异常长大：局域应变储能必须高于基体平均储能的1.60倍,局域界面能需低于平均值的0.76,而局域界面能动性要大于平均值的3倍。模拟还发现,局域扩散迁移率的改变及初始混晶不能导致局域晶粒的异常长大。最后,本文模拟了含不同尺寸、数量、球形第二相颗粒的纳米结构AZ31镁合金中晶粒的长大过程,研究了第二相粒子对单相合金系统晶粒组织演化和生长动力学的影响。模拟结果表明：纳米晶组织中第二相粒子对晶粒长大的钉扎作用,与对微米晶组织下的作用有很大区别：纳米结构中第二相粒子对晶粒长大影响存在一个粒子尺寸的临界值,在临界值以下,颗粒的尺寸越小,对晶粒长大的钉扎作用越大,而大于临界值后,第二相颗粒对晶粒生长过程基本没有阻碍作用；微米结构中也有一个颗粒尺寸的临界值,小于该临界值,粒子尺寸越大,对晶粒生长的钉扎作用越大,大于该临界值后影响规律相反。多晶纳米结构下,第二相颗粒体积分数为10%时,颗粒尺寸的临界值为200nm,粒子含量增加,临界尺寸值将减小；当粒子尺寸为30 nm时,随颗粒含量增加晶粒生长动力学指数逐步增大,粒子对晶粒长大的钉扎作用越来越大。