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面心立方金属材料中高密度的孪晶界能够使材料的强度和延展性显著提高，同时保持良好的导电性能和热稳定性。纳米孪晶材料强度的提高主要来源于孪晶界对位错的阻碍。先前已经有大量的工作系统地研究了位错与Σ3{111}共格孪晶界（CTB）之间的交互作用，包括位错理论分析、原位透射电子显微镜（TEM）观察和分子动力学模拟。也有少量的工作报道了Σ3{112}非共格孪晶界面（ITB）在冲击变形等特殊变形模式下的重要作用。然而以前的工作基本上都集中在揭示Σ3{111}孪晶界的强化机理，而退火孪晶是一个三维结构，退火孪晶ITB在材料强化中的作用不可忽视，同时，Σ3{111}孪晶界、Σ3{112}孪晶界组成三维孪晶时的整体效应带来的影响也有待揭示。本文利用大尺度分子动力学模拟，位错理论分析以及原位TEM观察等方法依次研究了退火孪晶ITB的强化机理和三维退火孪晶的强化机理以及合金中滑移带与孪晶界的反应机理，补充了先前在退火孪晶强化机制研究上的一些不足之处，为以后进一步深入、全面的理解退火孪晶的强化机制提供了理论上的依据。主要的研究内容和结论包括：
①选取Ni作为研究对象，构建了包含ITB与CTB的分子动力学双晶模型，之后利用分子动力学模拟研究了位错在垂直于ITB的滑移面进入ITB时的交互作用机制。研究发现位错与退火孪晶ITB之间的交互作用主要取决于位错的基本特征以及位错进入ITB的位置和外加载荷条件。螺型位错进入ITB时，其运动路径取决于外加载荷条件。当位错在ITB面上的分切应力为零时，螺型位错能够进入ITB并将ITB上特定柏氏矢量的孪生位错推出ITB。同时其自身会交滑移到附近特定的滑移面上并与该滑移面上的孪生位错反应生成新的不全位错，引起ITB的局部分解。当ITB上的剪切应力不为零时，螺型位错会交滑移到ITB上，并将ITB上特定的孪生位错推出ITB。单个混合型位错进入ITB时只能在特殊的某一层通过ITB，并在ITB的另一侧生成一个新的全位错，其柏氏矢量与进入的混合型位错的柏氏矢量相同。位错在ITB上的塞积能够促进混合型位错穿越ITB。
②选取Cu、Ni和Al三种金属为研究对象，构建了三维退火孪晶的模型。利用分子动力学模拟研究了位错与三维退火孪晶之间的交互作用。发现位错与三维退火孪晶之间的交互作用取决于位错的特征、加载的应力以及材料本身的特性。在模拟的所有例子中，位错都是通过位错绕过机制来绕过三维退火孪晶，在退火孪晶表面留下位错环，之后孪晶表面上各个位错段的后续反应则不同。在Cu当中，螺型位错既可以穿越CTB进入孪晶，并在孪晶中湮灭，也可以交滑移到CTB上引起退孪生。在Ni当中，螺型位错总是会交滑移到CTB上引起退孪生，同时在ITB上留下塞积的位错。在Al当中，螺型位错既可以交滑移到CTB上引起退孪生，也可以交滑移到孪晶中的{100}面上。混合型位错与三维孪晶作用时，在Cu当中，孪晶内部会形成一个{100}面上的Lomer位错和CTB上的Shockley不全位错，Lomer位错在孪晶中会发生分解，形成一个Lomer-Cottrell锁。在Ni和Al当中，混合型位错会在CTB上发生Frank分解，形成一个Shockley不全位错和一个不可动的Frank位错。退火孪晶的ITB能够作为位错攀移的通道促进孪晶中{100}面上位错的成核。
③在位错与三维退火孪晶交互作用的模拟过程中发现，三维退火孪晶的ITB会在塑性变形中发生明显的迁移，引起退孪生。这一现象在Cu和Ni中尤其明显，在Al中则不明显。ITB的迁移能力与加载的应力条件以及材料本身的性质有关。
④选取Cu为研究对象，构建了多种晶体学取向下，包含三维退火孪晶和变形孪晶的原子模型。利用分子动力学模拟研究了FCC金属中变形孪晶与三维退火孪晶之间的交互作用机制。发现变形孪晶与三维退火孪晶之间的交互作用机制取决于两个孪晶之间的晶体学取向关系和变形孪晶的孪生位错的基本特征。当两个孪晶的孪生面不同时，若变形孪晶初始的孪生位错为刃型或螺型位错，则变形孪晶无法穿越退火孪晶的CTB，同时在退火孪晶中的孪晶交叉区域会形成一个晶体旋转区域，其与退火孪晶之间的取向差为18°。晶体旋转来自旋转区域边缘的几何必须位错以及局部的弹性变形。若变形孪晶的孪生位错为混合型位错时，变形孪晶能够穿越CTB。当变形孪晶与三维退火孪晶的孪生面在同一滑移面时，孪晶相交会导致退火孪晶发生退孪生，同时生成大量的位错环。
⑤选取CoCrNi合金为研究对象，利用原位加载TEM研究了滑移带与退火孪晶CTB之间的交互作用机制，结果表明当滑移带与退火孪晶CTB相遇时，位错可以在CTB上发生分解、穿越和反射。其意义在于，平面内滑移产生的大量滑移带在CTB上的穿越和反射可以使得单一滑移面上的位错增殖和滑移到更多的{111}面上，容易使材料当中产生位错缠结，提高材料强度的同时也能提高其变形协调性。在变形后期会在裂纹尖端的塑性变形区域产生大量的变形孪晶，变形孪晶能够让裂尖钝化，并改变裂纹扩展路径，阻碍裂纹的扩展，使得材料的断裂韧性提高。
①选取Ni作为研究对象，构建了包含ITB与CTB的分子动力学双晶模型，之后利用分子动力学模拟研究了位错在垂直于ITB的滑移面进入ITB时的交互作用机制。研究发现位错与退火孪晶ITB之间的交互作用主要取决于位错的基本特征以及位错进入ITB的位置和外加载荷条件。螺型位错进入ITB时，其运动路径取决于外加载荷条件。当位错在ITB面上的分切应力为零时，螺型位错能够进入ITB并将ITB上特定柏氏矢量的孪生位错推出ITB。同时其自身会交滑移到附近特定的滑移面上并与该滑移面上的孪生位错反应生成新的不全位错，引起ITB的局部分解。当ITB上的剪切应力不为零时，螺型位错会交滑移到ITB上，并将ITB上特定的孪生位错推出ITB。单个混合型位错进入ITB时只能在特殊的某一层通过ITB，并在ITB的另一侧生成一个新的全位错，其柏氏矢量与进入的混合型位错的柏氏矢量相同。位错在ITB上的塞积能够促进混合型位错穿越ITB。
②选取Cu、Ni和Al三种金属为研究对象，构建了三维退火孪晶的模型。利用分子动力学模拟研究了位错与三维退火孪晶之间的交互作用。发现位错与三维退火孪晶之间的交互作用取决于位错的特征、加载的应力以及材料本身的特性。在模拟的所有例子中，位错都是通过位错绕过机制来绕过三维退火孪晶，在退火孪晶表面留下位错环，之后孪晶表面上各个位错段的后续反应则不同。在Cu当中，螺型位错既可以穿越CTB进入孪晶，并在孪晶中湮灭，也可以交滑移到CTB上引起退孪生。在Ni当中，螺型位错总是会交滑移到CTB上引起退孪生，同时在ITB上留下塞积的位错。在Al当中，螺型位错既可以交滑移到CTB上引起退孪生，也可以交滑移到孪晶中的{100}面上。混合型位错与三维孪晶作用时，在Cu当中，孪晶内部会形成一个{100}面上的Lomer位错和CTB上的Shockley不全位错，Lomer位错在孪晶中会发生分解，形成一个Lomer-Cottrell锁。在Ni和Al当中，混合型位错会在CTB上发生Frank分解，形成一个Shockley不全位错和一个不可动的Frank位错。退火孪晶的ITB能够作为位错攀移的通道促进孪晶中{100}面上位错的成核。
③在位错与三维退火孪晶交互作用的模拟过程中发现，三维退火孪晶的ITB会在塑性变形中发生明显的迁移，引起退孪生。这一现象在Cu和Ni中尤其明显，在Al中则不明显。ITB的迁移能力与加载的应力条件以及材料本身的性质有关。
④选取Cu为研究对象，构建了多种晶体学取向下，包含三维退火孪晶和变形孪晶的原子模型。利用分子动力学模拟研究了FCC金属中变形孪晶与三维退火孪晶之间的交互作用机制。发现变形孪晶与三维退火孪晶之间的交互作用机制取决于两个孪晶之间的晶体学取向关系和变形孪晶的孪生位错的基本特征。当两个孪晶的孪生面不同时，若变形孪晶初始的孪生位错为刃型或螺型位错，则变形孪晶无法穿越退火孪晶的CTB，同时在退火孪晶中的孪晶交叉区域会形成一个晶体旋转区域，其与退火孪晶之间的取向差为18°。晶体旋转来自旋转区域边缘的几何必须位错以及局部的弹性变形。若变形孪晶的孪生位错为混合型位错时，变形孪晶能够穿越CTB。当变形孪晶与三维退火孪晶的孪生面在同一滑移面时，孪晶相交会导致退火孪晶发生退孪生，同时生成大量的位错环。
⑤选取CoCrNi合金为研究对象，利用原位加载TEM研究了滑移带与退火孪晶CTB之间的交互作用机制，结果表明当滑移带与退火孪晶CTB相遇时，位错可以在CTB上发生分解、穿越和反射。其意义在于，平面内滑移产生的大量滑移带在CTB上的穿越和反射可以使得单一滑移面上的位错增殖和滑移到更多的{111}面上，容易使材料当中产生位错缠结，提高材料强度的同时也能提高其变形协调性。在变形后期会在裂纹尖端的塑性变形区域产生大量的变形孪晶，变形孪晶能够让裂尖钝化，并改变裂纹扩展路径，阻碍裂纹的扩展，使得材料的断裂韧性提高。