强度和韧性是结构材料的两大力学性能指标,然而通常情况下,材料的强度和韧性呈互斥关系,因此同时提高材料的强度和韧性是结构材料领域的重要问题。自从2004年在实验中发现纳米孪晶材料同时具有超高强度和良好韧性以来,在此后的十几年中,纳米孪晶材料吸引了材料和力学领域研究人员的广泛关注。纳米孪晶材料的高强高韧性能来源于材料内部位错与孪晶界之间的相互作用,包括位错在孪晶界附近的滑移转换和位错与孪晶界的长程相互作用。文献的相关工作大多聚焦于研究孪晶界附近位错的运动规律和反应机制并建立相关理论模型,但这些理论模型中的参数往往需要通过对宏观力学行为的拟合得到,而没有与材料的微观变形行为建立联系,这严重制约了以多尺度材料模拟为基础的材料性能预测和微结构优化设计的发展。因此,本文基于分子动力学方法,从反应路径求解算法、原子-连续介质耦合建模、位错与孪晶界的本征相互作用等多个角度展开了研究,具体研究内容如下:1)研究了位错激活反应路径的高效计算方法。本文分析了文献中FE-NEB（FreeEnd Nudged Elastic Band）算法存在的稳定性差的根源,即FE-NEB算法中状态链端点上的力受弹簧刚度控制,不能保证状态链端点上的侧向运动与中间状态点保持一致;为解决这一问题,本文提出了状态链端点受力的改进计算格式,使得状态链端点上的力与其真实所受的力相关,不再受弹簧刚度的影响;本文进一步结合ANEB（Adaptative Nudged Elastic Band）算法中的自适应策略,提出了用于计算反应路径和过渡态的FEANEB（Free-End Adaptative Nudged Elastic Band）算法,此算法中状态链逐渐收缩到过渡态附近,适用于处理过渡态附近构型变化复杂的情况,保证过渡态的计算精度。2)研究了理想孪晶界与螺位错的本征相互作用。本文发展了用于分析位错与孪晶界相互作用的离散原子-连续介质耦合模型,基于此模型的研究发现理想孪晶界与螺位错之间的长程相互作用远小于相同距离下的两个螺位错之间的相互作用,前者对材料强度的直接贡献可以忽略不计;本文进一步分析了之前文献中发现的理想孪晶界对螺位错排斥作用的来源,即模型固定边界对偏离平衡位置的位错的“回复力”;本文还研究了孪晶界引起的位错塞积行为,位错塞积平衡间距与理论预测一致,进一步验证了理想孪晶界对螺位错的长程作用力可以忽略的结论。3)研究了含缺陷孪晶界对位错的排斥作用。本文研究了非螺位错与理想孪晶界之间的本征相互作用,结合各向异性双材料中材料界面对任意位错镜像力的解析解,本文将理想孪晶界对螺位错的长程作用力可以忽略的结论推广到任意位错的情形;本文进一步阐明了材料中实际的孪晶界对位错的排斥力来源于实际孪晶界上普遍存在的位错型缺陷而非孪晶界本身;本文为位错动力学等方法中简化处理孪晶界与位错之间的相互作用提供了理论依据,即模拟孪晶材料中位错运动时,不需要额外引入位错与孪晶界之间的长程相互作用,可以简化相关的编程工作。4)研究了孪晶界对材料表面位错形核的抑制作用。本文研究了材料表面的孪晶界对纳米材料屈服强度的影响,材料在单轴拉伸荷载下的变形行为表明,在材料表面几个原子层厚度内的孪晶界有利于材料屈服强度的提高,这种现象在层错能不同的多种金属材料以及多种加载工况下都有所体现;基于FEA-NEB算法,本文研究了位错形核的反应路径,结果表明孪晶界位于材料表面时,材料的表面位错形核机制被抑制,初始塑性变形以材料内部位错环形核的方式发生,计算表明,材料内部位错环的形核需要更高的激活能和激活体积,这抑制了材料中初始塑性变形,使得材料屈服强度提高。