纳米晶材料作为新兴的材料门类,因其具有独特的机械、电磁及化学性质,在凝聚态物理、应用化学、材料科学等研究领域受到了广泛的重视。存在大量的晶界及三晶交线是纳米晶材料的重要组织特征,晶界在曲率及外力驱动条件下的演化行为,在很大程度上决定了纳米晶材料的性能。纳米晶晶界演化是一个涉及原子重排和界面扩散的多尺度复杂物理过程。为从本质上认识晶界在不同条件下是如何运动进而影响纳米晶粒演化的,必须深入理解涉及空间和时间多尺度的晶界及三晶交线演化问题。晶体相场模型是近年来兴起的在原子尺度上描述材料微观组织演化的模拟方法,这种基于密度泛函理论的原子尺度模拟方法最大优势在于能够在反映材料原子尺度信息的基础上描述其在扩散时间尺度上的演化过程。本文采用标准和最小体耗散的晶体相场模型,以晶界原子尺度特征的准确描述为基础,对BCC结构纳米晶中[001]倾斜晶界在曲率驱动及外加剪切应变条件下的演化行为以及三晶交线对晶界演化的影响等进行了深入研究,这可为实现纳米晶材料的组织调控提供理论基础。论文获得了如下主要结论:(1)基于所编制的晶体相场模型并行计算求解程序,成功实现了曲率驱动及外加剪切应变驱动下纳米晶晶界演化过程的数值模拟。成功获得了BCC晶体中[001]倾斜晶界的平衡结构、晶界能及其附近弹性应变场等原子尺度特征的准确表征,发现模拟所得晶界结构符合位错理论描述,均由两类刃位错(a<100>和a<110>/2)混合而成,单个位错附近的应变场亦与各向异性的位错弹性理论定量相符。(2)获得了纯曲率驱动、纯耦合效应及混合方式等晶界运动机制在BCC双晶内嵌系统中不同取向差下的适用性范围。取向差在27.5度以上的晶界按照经典纯曲率驱动方式做迁移运动,内嵌晶粒取向保持恒定,晶粒面积随时间呈线性快速变化;取向差在20度以下的晶界按照纯耦合方式运动,内嵌晶粒取向逐渐升高,而晶粒面积仍保持线性变化但演化速率较慢;而取向差在20-27.5度之间的晶界则按照部分曲率驱动部分耦合效应的混合方式运动,中心晶粒取向变化小,而晶粒面积呈非线性缓慢变化。(3)阐明了极小取向差的弯曲晶界运动诱发晶粒转动现象的发生机制。当晶界取向差较小时,相邻晶界位错间的共格区域内存在明显弹性畸变,从而导致晶界位错向晶粒中心径向运动,同时对内部晶粒产生转动力矩,造成晶粒转动;当取向差较高时,相邻晶界位错的间距小,其间的弹性畸变也非常弱,位错湮灭、分解等反应过程占主导,整个晶界在纯曲率驱动下运动,不会引起晶粒转动。从晶界原子结构上而言,不同取向差下晶界表现出不同的演化行为可归因于晶界内多种位错的平衡间距随取向差的变化不同步。(4)平直对称倾斜晶界在外加剪切应变条件下按照剪切耦合的方式迁移运动,其微观本质是连错的形核及扩展。连错对的存在对晶界迁移过程的影响显著,连错的形核势垒决定了晶界迁移的PN势,其同时具有的不全位错和台阶特征决定了晶界迁移的耦合因子。(5)晶界偏转角对非对称倾斜晶界剪切耦合运动的影响作用取决于两类晶界位错的占比及其对剪切应变的响应。晶界偏转角较小时,一类位错承担了变形主体,而另一类位错则随之发生运动,此时晶界的PN势和耦合因子与对称倾斜晶界相比变化不大;而当偏转角转至两类位错占比相近的角度时,两类位错共同作为变形主体,晶界开启运动和迁移都很困难,造成晶界PN势和耦合因子的显著提升。(6)获得了纳米晶中三晶交线对晶界演化的影响规律及机制,建立了三晶交线不连续迁移运动模型。三晶交线的拖拽作用改变了晶界位错的运动方式从而减缓了晶粒的演化动力学,三晶交线附近的位错释放是由晶界的运动不协调造成;三晶系统在变形条件和曲率驱动条件下表现出截然不同的稳定性。