纳米孪晶金属因其优异的性能，如高强度、高硬度、良好的塑性、高导电性等，引起了人们的广泛关注。大量实验和理论研究表明:减小纳晶铜的晶粒尺寸和减小纳米孪晶铜的孪晶片层厚度同样能提高材料的强度。但是当晶粒尺寸减小到纳米尺度时，纳晶铜强度提高的同时伴随着塑性的急剧下降;而减小孪晶片层厚度却能提高纳米孪晶铜的强度而不损失其塑性。这说明，孪晶界可以起到与普通晶界相似的强化作用，但与晶界截然不同的是其同时也对塑性有很大的贡献。同时，孪晶界也并未导致其他性能的降低，例如疲劳性能、电导率、电迁移、热稳定性等，这为进一步发展高性能纳米结构材料及其应用提供了重要线索。纳米孪晶材料的变形机理和力学行为已成为微纳米力学这一学术研究前沿中的一个新的研究热点。本课题系统研究了孪晶片层厚度、拉伸轴与孪晶界角度等参数对纳米孪晶材料的力学性能、变形及损伤机理的影响。这一系列工作不仅具有十分重要的科学理论价值，而且有助于推动纳米孪晶材料的进一步研发。本课题主要研究内容和结论如下:　　(1)根据纳米孪晶材料独特的微结构，考虑了相交于孪晶界的剪切变形和平行于孪晶界的剪切变形，提出了包含孪晶内部片层和孪晶界影响区的几何模型，并基于变形机制，建立了关于拉伸轴与孪晶界角度θ的纳米孪晶材料的本构模型。该模型预测的应力应变曲线和纳米孪晶Cu的实验值能较好地吻合，反映出孪晶片层厚度对强度的影响。同时，计算了不同拉伸轴与孪晶界角度下纳米孪晶Cu的应力应变曲线和应变硬化率曲线，结果表明纳米孪晶材料具有显著的力学各向异性行为。在0°～90°范围内，随着拉伸轴与孪晶界角度的增加，以θ=45°为转折点，应力先减小然后增加，而应变硬化率却是先增加后减小。　　(2)通过调整拉伸轴与孪晶界角度的算数平均值(θ)和方差(σ)，建立了三个微结构模型（(θ)=30°，(σ)=3.7;(θ)=10°，(σ)=3.7和(θ)=30°，(σ)=8.8）。利用有限元模拟获得了这三个模型的力学响应。微结构模型(θ)=30°，(σ)=8.8的等效塑性应变云图表明，在塑性变形过程中，即使是相邻的晶粒，它们的应变分布也存在很大不同。微结构模型θ=30°，(σ)=3.7和θ=10°，(σ)=3.7的等效塑性应变云图对比表明，前者相比于后者，总体的应变硬化能力提高，可以提高均匀拉伸塑性，延迟剪切带的出现。这些都是因为受到拉仲轴与孪晶界角度的影响，然而随着孪晶片层厚度的减小，应变梯度影响越来越显著，导致拉伸轴与孪晶界角度对纳米孪晶材料力学行为的影响变弱。　　(3)构建了纳米孪晶材料中基于位错发射机理的孔洞增长模型。该模型中，刃型位错不断从孔洞表面发射，引起了孔洞的增长。这些位错在滑移过程中受到外加应力在孔洞周围产生的局部应力、晶格阻力、孔洞表面对位错的映射力及位错间相互作用力的共同影响。结果表明:当孔洞半径R/b小于10时，孔洞的表面效应变得非常明显，不能忽略;孪晶片层厚度越大，孔洞表面发射的位错个数越多，孔洞越容易增长;当孪晶片层厚度一定时，改变拉伸轴与孪晶界角度θ，孔洞表面发射位错的临界应力最大相差接近8倍。θ=60°时孔洞很难增长，而θ=100°时孔洞增长非常明显。　　(4)根据纳米孪晶材料中孪晶界-晶界交汇处楔形裂纹萌生的机理，构造了理论模型对裂纹的萌生进行了定量分析，计算了孪晶界-晶界交汇处位错塞积引起的总能量以及裂纹萌生的能量，并通过楔形裂纹萌生准则判断裂纹是否能够萌生。结果表明:外加应力及孪晶片层厚度的增大使得裂纹更容易萌生;界而取向不同，外加载荷在界面上的分切应力也不同，这将改变位错塞积引起的总能量以及裂纹萌生的能量，所以界面取向对裂纹萌生的影响也很明显;此外，晶粒尺寸的降低使得孪晶界-晶界交汇处裂纹萌生的临界孪晶片层厚度减小。　　(5)通过压-压疲劳实验研究纳晶Ni-Fe合金中疲劳裂纹的扩展以及疲劳裂纹扩展过程中对材料微结构的影响。发现裂纹总是在试样表面萌生，然后沿着与加载方向垂直的方向向试样内部扩展，且疲劳裂纹的扩展导致裂尖区域晶粒的长大以及退孪晶。讨论了晶粒长大和退孪晶的机理。