纳米晶体材料,具有卓越的物理和力学性能,日益引起广泛关注。然而,在很多情况下,纳米晶体材料具有超高的强度、硬度和良好的耐磨损性能,同时表现出很低的拉伸延性和断裂韧度。实验还发现部分纳米晶体材料在室温下也能表现出良好的拉伸延性,在高温下表现出超塑性和超韧性,并将其归结为纳米晶体材料中特殊的变形模式,包括晶粒间滑动、旋转变形、晶界滑移和协同的晶界迁移、以及纳米尺度的孪晶变形等。然而,这一现象的微观机制以及力学性能与微结构演变的定量关联尚未揭示。纳米晶体材料在制作和使用过程中不可避免地会产生位错、夹杂和微裂纹等微观缺陷,微观缺陷与特殊变形模式之间的相互作用机理成为研究纳米晶体材料断裂的基础；裂纹尖端发射位错是材料韧性与脆性转变的重要判据,因此研究纳米晶体材料中裂纹尖端的微结构演变对裂纹尖端位错发射的影响,不仅有助于理解裂纹尖端晶界位错运动引起的微结构演变及其与材料断裂韧度的关系,而且可以为纳米晶体材料的显微结构设计和断裂预防提供理论基础。本文以纳米晶体材料为研究对象,基于实验观测现象,建立了相关的断裂力学模型,综合运用复杂多连通域混合边值问题的弹性复势方法和能量法,较为系统地研究了微结构(涂层夹杂、旋转变形、晶界滑移与迁移的协同变形和纳米变形孪晶)演变与位错、裂纹的相互干涉及其对材料断裂韧度的定量影响规律。本文主要研究成果如下(1)建立了螺型位错与涂层纳米夹杂的干涉模型,获得了干涉应力场、位移场和位错像力的解析表达式,并通过数值计算详细讨论了位错像力和位错的平衡性质。研究发现,在纳米尺度范围,硬基体和硬涂层可以吸引纳米夹杂中的位错,而软基体和软涂层可以排斥纳米夹杂中的位错；夹杂界面效应不仅可以改变螺型位错在纳米夹杂中的平衡位置,也改变涂层纳米夹杂中螺型位错的稳定性以及夹杂临界半径的大小。(2)引入楔形向错四极子模型,建立了直线裂纹与表征特殊旋转变形的向错四极子的力学模型,以及直线裂纹与裂纹尖端的特殊旋转变形、晶粒间滑动和位错发射相互干涉的力学模型,获得了裂纹尖端刃型位错发射的临界应力强度因子精确表达式,揭示了特殊旋转变形、晶粒间滑动和位错发射对材料断裂韧度的综合影响规律。研究发现,裂纹尖端附近的特殊旋转变形可以通过释放局部应力而阻碍裂纹尖端的位错发射,且变形越大,位错发射越困难；裂纹尖端附近特殊旋转变形、晶粒间滑动和发射位错可以使纳米晶体材料的有效断裂韧性剧增；材料的断裂韧度敏感于晶粒尺寸,存在一个最佳晶粒尺寸使得材料的断裂韧度最强。(3)建立了刃型位错与椭圆钝裂纹及纳米级晶粒旋转变形相互干涉的力学模型,导出了椭圆钝裂纹端点位错发射的临界应力强度因子精确表达式,揭示了变形强度、晶粒尺寸、变形方位角、椭圆钝裂纹端点曲率半径、位错发射角度、以及裂纹长度等对椭圆钝裂纹端点位错发射的临界应力强度因子的影响规律。结果表明,纳米级晶粒旋转变形不但释放裂纹尖端区域高应力,增大位错发射的临界应力强度因子,而且显著影响位错的最易发射角度；位错发射的临界应力强度因子随晶粒尺寸的增加而增大。(4)建立了刃型位错与直线裂纹及表征晶界滑移与迁移协同变形的向错结构相互作用的力学模型,获得了裂纹尖端刃型位错发射的临界应力强度因子精确表达式,揭示了变形强度(向错强度)、晶粒尺寸、晶界间夹角、晶界滑移距离、晶界迁移距离、位错发射角度、以及裂纹长度等对裂纹尖端位错发射临界应力强度因子的影响规律。结果表明,晶界滑移与迁移的协同变形可以促进裂纹尖端的位错发射,增强了纳米晶体材料的断裂韧度。(5)建立了外载作用下,密排六方晶体基面上的滑移全位错<a>分解为孪生位错和压杆位错,进而孪生位错在晶内滑移,纳米变形孪晶形核且不断长大的力学模型。获得了密排六方晶体镁中纳米变形孪晶形核与长大的能量条件和临界剪切应力。结果表明,密排六方晶体镁中{1012}孪晶形核的临界剪切应力约为61.16MPs～92.05MPa。且纳米变形孪晶在形核的初始阶段很难长大,而当达到一定厚度后,纳米变形孪晶的长大将变得十分容易。