断裂是工程结构中常见的失效形式之一。由于断裂具有突发性,可能会带来很大的安全隐患,并造成巨大的经济损失。为此在早期对贵重、关键零部件上的裂纹进行修复,可以有效地降低结构失效破坏的风险,具有显著的安全价值及经济效益。激光修复技术可以利用高能激光束对裂纹进行修复。本文以304不锈钢紧凑拉伸试件为研究对象,研究了添加微纳米材料和激光工艺参数对激光裂纹修复效果的影响,建立了基于变节点有限元的多晶体材料跨尺度计算模型,从宏细观尺度对激光裂纹修复过程中微观组织特征对修复件断裂性能影响进行多尺度分析。主要研究内容及结果如下:（1）利用数字图像相关方法,结合J积分理论,测量和计算了激光修复后试件的J积分,进而研究了添加不同质量分数纳米WC的激光裂纹修复试件的断裂性能。同时也对激光修复后的残余应力进行了分析,研究了运用J积分评估激光裂纹修复试件断裂性能的可行性。研究发现,在残余应力较小时,在一定范围内,J积分不受残余应力的影响。运用数字图像相关方法得到的J积分具有准确性,该方法可以用来计算激光裂纹修复试件的J积分,评估激光裂纹修复止裂效果。（2）建立了基于变节点有限元的多晶体材料跨尺度计算模型,实现同时考虑材料宏观尺度上结构和载荷等因素与细观尺度上晶体几何形状、尺寸和分布等因素相互影响的力学行为的跨尺度计算。利用ABAQUS子程序功能建立了变节点有限元单元,运用MATLAB实现了基于Voronoi图的多晶体材料晶体塑性有限元建模。在此基础上以裂纹尖端带有激光修复区域的紧凑拉伸试件为例,利用变节点有限元单元将修复区域的晶体塑性有限元单元与宏观区域常规有限元单元连接,验证了多晶体材料跨尺度计算方法的可行性。基于变节点有限元的多晶体材料跨尺度计算模型的自由度比整个计算域采用细尺度单元模型的要小很多,但精度降低并不大。跨尺度模型可以以较小的计算规模同时将细观和宏观相结合来研究材料的力学行为。（3）运用压痕试验研究了激光修复区材料力学性能的变化,反演得到了修复区材料的晶体塑性常数。在确定激光裂纹修复层晶体塑性材料常数的过程中,首先运用纳米压痕的常规有限元模型对材料的宏观弹塑性参数进行求解。通过堆积/沉陷参数对实验载荷-位移曲线进行修正,提高了宏观弹塑性参数求解的准确性。然后运用拉伸试件的晶体塑性有限元模型对材料的晶体塑性常数进行反演,达到以较小计算量和较高计算精度确定激光修复层晶体塑性材料常数的目的。（4）运用基于变节点有限元的多晶体材料跨尺度计算模型研究了不同微观组织特征对激光裂纹修复试件断裂性能的影响。利用纳米压痕试验计算得到的修复层晶体塑性材料常数和基于数字图像相关的J积分计算软件计算了不同修复件的J积分。结合实验和计算结果,研究了修复层微观组织对修复件断裂性能的影响。研究结果表明:激光裂纹修复过程中,修复层晶粒尺寸相比于基体晶粒尺寸大大减小,修复件断裂性能提高。在一定范围内,增加晶粒内第二相的体积分数可以提高修复件的断裂性能,而气孔的存在,会使修复件的断裂性能降低。这些研究结果进一步明确了微观组织对激光裂纹修复件断裂性能的影响,为添加微纳米材料的激光裂纹修复止裂提供了理论支持。