镍基高温合金具有优异的抗蠕变、抗断裂、抗氧化和耐腐蚀等性能，广泛应用于航空航天、石油化工、航海设备等工业领域，是制造航空发动机、燃气轮机等热端器件的关键材料。镍基高温合金包含多种合金元素以及复杂的界面相结构，微观结构的复杂性使得实验上精确表征高温合金的结构特征以及合金原子分布存在困难，特别是在高温合金中的各强化因素以及原子的扩散特性难以确定。而基于理论模型的原子模拟却能从原子尺度理解合金元素与基体原子的相互作用，进而揭示高温合金中合金元素、析出相以及相界面的强化机制，精确描述相界面的原子排布，同时考察各种元素的扩散特性。本文首先利用第一性原理计算讨论了Ni基体中的自扩散与杂质扩散。计算了过渡金属元素与空位的结合能，发现Re的溶质-空位结合能在所有过渡族元素中是最高的，且发现Co、Ru和Re原子与空位呈现排斥相互作用。计算了溶质-空位结合熵，考察了声子对于溶质扩散的影响。在五重跳跃模型中，Co、Ru和Re原子的引入对于各跳跃扩散的影响研究发现Co原子的引入激活了周围Ni原子的扩散，而相反，Ru和Re原子的引入则会抑制周围Ni原子的扩散。Re扩散时所需要的迁移能最高，其次为Ru原子，最低为Co原子。这与Re掺杂时与最近邻Ni原子的成键相互作用显示为哑铃状的区域相关。通过计算得到不同合金元素的扩散因子随温度的变化发现Re原子即使在高温时也很难回到初始位置。Ni基体中原子扩散的扩散系数大小趋势为Co> Ni> Ru> Re。揭示了Ni3Al中Ni和Al的自扩散特性。研究了Ni3Al中缺陷分布情况，结果表明其主要缺陷为Al反位置以及Ni反位置，其次为Ni空位，而Al空位浓度最低。其缺陷浓度趋势与计算得到的缺陷形成能的大小相一致。温度相同时，Ni3Al中Al的扩散较Ni慢。考察成分依赖时，Ni的自扩散系数随着Ni3Al中Ni成分的增加而降低，且在低温条件下降低趋势趋于明显，起源于Ni空位浓度随Ni成分的增加而减少。Al的自扩散系数也随着Ni成分的增加而降低，这源于在Ni3Al中较高的Ni原子比例抑制了Al反位置缺陷的形成，扩散过程中起主导作用的Al反位置缺陷随着Ni成分的增加而急剧降低。运用分子动力学方法结合改进的分析型嵌入原子势(MAEAM)对于合金元素的固溶强化机制进行了研究。通过研究Ni基体相中的刃位错运动，表明固溶原子对于刃位错的运动具有阻碍作用。在添加相同浓度替位原子时，Ru元素对于刃位错运动的阻碍作用则比添加Co元素要明显。而Re元素即使低浓度时对于位错的阻碍作用很明显。对于合金元素的固溶强化作用，Re元素最为明显，其次为Ru元素，最后为Co元素。其微观机制为合金元素通过与位错滑移面上最近邻基体原子成键形成相互作用，导致其堆垛层错能升高，使得位错运动过程中需要耗费更多能量，阻碍位错运动形成固溶强化作用。研究了单晶Ni、Al和Ni3Al的纳米压痕特性。基于结构分析发现Ni和Al的纳米压痕过程中经历弹性形变与塑形形变，Ni3Al中由于形成微孪晶而存在伪弹性形变过程。Ni3Al析出相中高的不稳定层错能与本征层错能的比值，使得Ni3Al中易于形成分位错，且在晶体中压头下方区域钉扎从而形成微孪晶，推迟了塑形形变的发生，强化了高温合金。对于压头的尺寸效应发现，压头尺寸越小所需要的塑形形变应力越高。结合蒙特卡洛模拟对于Re原子分布以及对Ni/Ni3Al界面结构的影响进行了研究。Ni/Ni3Al的界面为有序-无序界面，其界面过渡区域为8-10个原子层，过渡界面区域的宽度随着温度的升高而增加。模拟发现Re原子在Ni3Al析出相中优先占据Al原子位置，没有形成Re原子团簇。Ni/Ni3Al界面宽度随着Re元素添加量的增加而减小，确定了Re原子在Ni/Ni3Al界面中的临界溶解浓度，发现溶解极限值随温度的升高而增加。