当金属材料的晶粒尺寸降低至纳米级别时,无论普通的金属镍还是功能材料镍钛形状记忆合金的力学行为及变形机制都会出现显著的变化。目前,材料变形过程中微结构演化的研究主要集中于实验观察。实验手段很难实现对材料微结构全过程演化的实时观察,导致不能清晰地认识变形过程的微观机制。因此需要结合更多的计算模拟工作来系统和深入地研究不同温度、应力和晶粒尺寸下材料的微观结构演化与变形规律,深入揭示材料变形的微观机制。原子尺度的分子动力学模拟,可以获得材料变形过程的力学响应、清晰的微结构图案及原子能量的演化规律,帮助研究者认识材料的力学行为与变形机制。本文主要研究内容及结论如下:1、研究了纳米镍蠕变机制的温度、应力与晶粒尺寸效应,以及蠕变机制的演化规律。结果表明,材料内部的缺陷在蠕变过程中扮演着极其重要的角色。缺陷较少(几乎没有缺陷)的单晶镍没有出现明显的蠕变现象;而缺陷较多的纳米镍出现了明显的蠕变现象(包括初级蠕变与稳态蠕变)。随着温度和应力水平的升高、晶粒尺寸的减小,纳米镍的蠕变现象越来越明显,稳态蠕变速率也逐渐提高。通过分析应力指数,晶粒尺寸指数及微结构演化规律,得到了不同荷载下的纳米镍的蠕变机制。随着温度和应力的增加、及晶粒尺寸的减小,蠕变机制的转化规律为:由(1)晶格扩散和晶界滑移演化为(2)晶界扩散和晶界滑移,最后变为(3)位错形核。纳米镍极小的晶粒尺寸(2.8-5.6 nm)导致了在相对较低的温度(0.29-0.58倍熔点温度)下材料表现出以上总结的蠕变机制演化规律。2、研究了纳米镍钛形状记忆合金(以下简称纳米镍钛合金)相变行为的晶粒尺寸效应。结果显示,随着晶粒尺寸的减小,界面相尤其是晶界的原子百分比逐渐增加,纳米镍钛合金的相变行为出现显著的变化。当晶粒尺寸降低到一定程度时,温度与应力诱发马氏体相变几乎被完全抑制。随着晶粒尺寸的减小,相变温度(马氏体相变开始温度与奥氏体相变结束温度)逐渐降低,直至小晶粒尺寸试样过冷也无法诱发相变;马氏体相变导致系统在降温中,原子平均体积上升、势能突变以及晶粒内部产生剪切应变的现象也逐渐消失。随着晶粒尺寸减小,应力诱发相变的加载过程中形成的马氏体相越来越少,小晶粒尺寸试样出现了明显的不完全相变现象。结合应力应变响应和微结构演化图案,统计了不同晶粒尺寸纳米镍钛合金相变过程中系统及各组分(奥氏体相、马氏体相、晶界与相界)的能量,得到了系统能量、各组分能量配分及系统能量耗散的演化规律及其规律的晶粒尺寸效应。结果表明,系统势能变化的形貌从非外凸型(晶粒尺寸为11.97 nm)演化为外凸型(晶粒尺寸为4.02 nm),应力应变响应与微结构演化也发生了相应的变化。随着晶粒尺寸减小,能量耗散的主导机制也从马氏体相变行为演化为晶界滑移导致的塑性行为。界面能量(尤其是晶界)逐渐主导纳米镍钛合金系统整体势能的变化趋势,导致了纳米镍钛合金的相变及力学行为发生了本质的改变。3、研究了纳米镍钛合金相变行为的循环荷载特性及拉压不对称现象。结果表明,循环荷载会影响纳米镍钛合金的力学及相变行为。随着循环次数的增加,大晶粒尺寸试样几乎不再产生新的塑性变形,而小晶粒尺寸试样仍有少量塑性变形生成。塑性变形主要集中在晶界区域,晶界滑移是主要的塑性变形机制。晶界区域的塑性变形导致晶粒内部出现了残余应力。因此,纳米镍钛合金的相变应力降低,材料的微结构演化现象和系统的能量演化规律都发生相应的变化。此外,晶粒取向随机分布的纳米镍钛合金还表现出明显的拉压不对称现象。晶粒取向影响着每个晶粒的相变应力、相变应变与相变程度。压缩过程中,纳米镍钛合金相变的抑制程度较低,相变程度较高。在压缩过程中,相同应变水平下,外力输入给系统的能量增加。因此系统的能量演化规律也产生相应的变化。当应变较大时,材料的压缩模量高于拉伸模量。这是纳米镍钛合金应力应变响应出现拉压不一致现象的主要原因。