金属作为结构或功能材料在现代工业中有着非常重要的应用,然而坯料通常都要经过塑性变形技术处理后使用,塑性变形技术是在给定的外载荷和边界条件下对坯料进行“热力学”处理,从而得到符合设计目标的形状以及组织性能。传统的塑性变形技术包括轧制、挤压、锻造一般只能实现小变形,然而剧烈塑性变形技术通过控制应力状态使得金属承受较大的塑性变形且不发生破坏,另外基于该原理可以解决复杂曲面整体塑性成形难题。塑性变形过程中材料微结构被细化到微米甚至纳米尺度,从而具有优异的力学性能。然而,给定变形条件下金属材料的微结构和力学性能只能优化到稳态极限,该稳态极限和初始状态的关系将决定材料的本构行为。塑性变形加工金属的微结构使其稳定性显著降低,此外尺寸从几十纳米到几十微米的单晶或多晶微柱受压时发生应变突跳,其失稳特性制约了该特征尺寸结构的应用。因此,其变形稳定性引起了广泛的研究兴趣。本文结合晶体塑性、分子动力学等方法从理论上研究了金属材料塑性变形中的失效、稳态和稳定性问题:1.金属在复杂应力状态下塑性变形的失效问题。建立了基于统一强度理论的断裂轨迹面,推导了多种断裂轨迹面,并且得到了参数之间的关系。利用2024-T351铝合金和TRIP-780钢板的实验数据对该模型进行了标定和验证,并且与几种应用广泛的断裂极限面进行比较。最后,参数化研究揭示了等效断裂应变随模型参数的变化规律和物理意义。2.金属剧烈塑性变形的稳态和本构行为。研究了剧烈塑性变形加工金属的主要强化机理,进一步基于微结构演化模型预测了稳态力学性质和微结构特征,包括流动应力和位错密度等。发展了基于位错机制的宏微观耦合晶体塑性模型,在该框架下揭示了三种典型金属本构行为如应变强化、理想弹塑性和应变软化的物理机制。3.具有微纳米结构的金属塑性变形的稳定性问题。分析了应力控制和应变控制条件下应变突跳的具体物理过程,定义了关键阶段和概念,从而揭示了应变突跳本质。研究表明加载系统对应变突跳有着重要影响,进一步建立了加载系统和微柱串联模型,而微柱本构模型由分子动力学模拟和函数拟合得到。基于该模型推导了加载系统和微柱的失稳临界条件,并且预测了应变突跳大小。