金属材料在高温、高压、高应变率和大变形等极端条件下的变形机制问题,一直是材料学和力学研究的前沿问题。从微观层面定量分析塑性变形,建立缺陷的动态演化过程模型,确定微观结构和变形机制之间的关系,是金属材料变形机制研究的重点和难点。论文以单晶Cu和Fe、多晶金属Cu和Cu-Zr金属玻璃等金属材料为研究对象,利用分子动力学模拟方法,研究在高应变率下单轴拉伸和冲击压缩下的微观变形机制问题。首先,研究了纳米多晶Cu在单轴拉伸和冲击压缩下,不同晶粒尺寸对变形机制以及温度变化的影响。发现纳米多晶Cu的力学性能及变形机制转折点发生在晶粒尺寸约为15nm时。当晶粒尺寸大于15nm时纳米多晶Cu的变形机制主要以位错运动为主;当晶粒尺寸小于15nm时出现反常Hall-Petch现象,变形机制主要以晶界运动为主,此时纳米多晶Cu的流变应力和屈服应力随着晶粒尺寸的减小而变小。提出了小尺寸晶粒时晶粒合并和晶界转动相结合的理想变形机制模型。在冲击压缩下纳米多晶Cu的温度上升值随着晶粒尺寸的减小而变小,晶界运动引起的温升要小于位错运动。发现当温度大于600K时晶界几乎可以无阻碍的运动,解释了金属射流形成时温度上升不高,却表现出流动性的现象。其次,提出了一种冲击作用下单晶Cu中位错速度的定量计算方法,发现单晶Cu中并未形成超音速位错,位错速度存在上限,为金属Cu的纵波波速。发现随着冲击压力的上升单晶Cu的缺陷形式可以分为三个部分:位错(<30GPa)→)堆垛层错(30GPa-49GPa)→孪晶(>61GPa)。在冲击压力相对较低的情况下(<30GPa),位错和位错环运动是主要的变形机制。通过对计算结果的分析并结合相关试验观察,提出了一种新的位错环成核和发展机制。当冲击压力大于30 GPa时,由于位错的均匀成核产生大量交叉的堆垛层错。此时,由于堆垛层错的阻碍,位错不能进行长距离的滑移运动。当冲击压力相对较高时(>61GPa),发现两种相互垂直的堆垛层错呈竞争性机制,一旦其中的一种占据优势,孪晶就会在这种堆垛层错所在区域产生。初始状态时孪晶的方向随机分布,随后孪晶的旋转和合并成为主要的变形机制,并且导致了最后孪晶的形成。第三,建立了金属Fe的固液两相模型,用以模拟经激光束处理后的金属Fe结构。发现在终态时经激光束处理后的金属Fe原子晶格结构与未经处理的原子结构保持一致,均为bcc晶体。在终态时经激光束处理后的金属Fe含有少量的高能态原子团簇,使其局部区域能量相对增高。这些高能态原子团簇会对原子运动产生影响,使其相对于原金属Fe具有不同的力学性能。同时从原子层面上建立了 Fe-C合金体系,发现C原子的存在使Fe-C合金体系产生了结构上的不均匀性,在单轴拉伸条件下,结构内部存在局部应力相对较大区域,结构转变从C原子相对密集的区域开始,且位错滑移带从C原子影响区域产生,终止于C原子影响区域或边界,位错滑移带诱发了bcc→fcc/hcp的结构转变,从而导致了应力-应变曲线斜率的降低。相变和C原子的存在共同影响着Fe-C合金体系的破坏断裂位置。最后,通过快速冷却Cu-Zr金属合金液体的方法建立了不同Cu含量的Cu-Zr金属玻璃模型,研究了 Cu含量对Cu-Zr金属玻璃冲击压缩响应的影响,发现在冲击压缩时Cu-Zr金属玻璃中存在双波弹-塑性结构。在分裂的冲击波和塑性波超过弹性波的区域,发现Cu-Zr金属玻璃的屈服准则存在压力依赖行为。同时发现金属玻璃Up-Us Hugoniot曲线塑性分枝存在近似双线性的行为,结构分析显示这是由于短程序结构含量在Up=0.75km/s时达到临界值所引起的。Cu-Zr金属玻璃对塑性变形的抵抗力随着Cu含量的增加而变大。在冲击压缩下,<0,0,12,0>多面体具有最大的剪切抵抗性,它的含量可以基本反映塑性变形的结构变化特征;<0,2,8,1>和<0,3,6,3>具有最小的剪切抵抗性。发现剪切转变区域的成核与发展是Cu-Zr金属玻璃在冲击压缩下的基本变形机制。论文研究了金属晶体和金属玻璃在单轴拉伸和冲击压缩下的变形过程,有助于深刻理解金属材料的塑性变形机制,并对揭示微观结构和力学性能之间的关系具有参考意义。