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位错运动和晶体塑性力学性能密切相关。定量预测位错滑移的派纳力(PeierlsNabarro stress)——位错在没有热激活情况时能在晶体中自由运动需要的最小临界分解切应力,对理解晶体塑性性能十分重要。位错派纳(Peierls-Nabarro,PN)模型在远离核心区域采用线弹性理论高效计算,而在位错核心区域保留复杂原子作用特征,一方面可以结合第一性原理计算对核心区原子作用进行准确描述,另一方面能克服原子模拟的缺点(如第一性原理计算的规模十分有限,分子动力学/静力学(MD/MS)模拟的经验原子势不可靠或没有),因而成为研究位错核心结构和派纳力的有效方法。尽管针对原始PN模型的简化和假设已经有大量改进研究,但现有PN模型预测位错核心结构和派纳力的结果与实验存在较大偏差,如通常的PN模型预测面心立方(FCC)金属中位错的派纳力比实验结果高出一两个数量级,也很少被用于定量研究外力加载对位错的影响。因此PN模型的改进及其应用研究对于拓宽PN模型定量研究材料塑性性能十分重要。本文基于半离散变分派纳(SVPN)模型,通过考虑位错核心区域原子位移快速变化的较大梯度效应和原子非局域作用特性,对PN模型进行了改进研究。并将改进模型用于计算FCC和体心立方(BCC)金属中位错的核心结构和派纳力,以及研究滑移面上垂直于伯氏矢量方向的切应力即Escaig stress对位错性质的定量影响。MD模拟进一步验证了改进SVPN模型的有效性。具体包括:1.引入梯度能考虑位错核心区域位移快速变化的较大梯度效应,建立了梯度能改进的SVPN模型。应用到FCC金属中位错的计算结果表明,改进模型预测位错核心结构和派纳力的精度得到极大提高,派纳力降低了一个数量级,为MD结果的1~4倍,同时和实验结果更接近。将微弹性带(NEB)算法和改进模型结合,模型可以预测位错在晶体中克服能垒运动的详细过程。2.引入非局域作用能考虑原子相互作用的非局域特征建立了非局域SVPN模型。通过将原子的非局域作用简化在近邻范围内,引入的唯一非局域系数可以直接由位错核心结构确定,形式简洁。计算表明非局域SVPN模型不仅对FCC中扩展位错的核心结构和派纳力有进一步改进,派纳力为MD模拟的1~2倍,而且对BCC中较窄宽度位错的核心结构和派纳力也有显著改进。3.将二维非局域SVPN模型推广到三维,通过比较二维和三维模型预测的FCC和BCC中位错核心结构和派纳力,定量评估二维模型预测结果的准确性。结果发现,当原子模拟计算二维层错能曲面已经充分考虑垂直于滑移面方向的原子松弛后,二维非局域模型预测结果和三维模型结果相近,从而可以节省三维模型的计算成本。4.应用梯度能改进SVPN模型研究Escaig stress对FCC中位错核心结构和派纳力的定量影响。结果发现,随Escaig应力增加,派纳力呈现类周期性变化,极大值和极小值的差距逐渐减小,这一规律可用一个简明数学公式加以描述,并可以通过分析Escaig应力对层错宽度和位错分解的不全位错之间相互作用的影响得到合理解释。改进SVPN模型预测的类周期性变化的派纳力,以及位错在外力作用下的复杂细节特征都被MD模拟进一步证实。结合实验表征和第一性原理计算,本文建立的改进SVPN模型可用于定量预测复杂晶体结构中位错的派纳力,以及复杂外力加载对位错性质的定量影响。