随着纳米技术的出现和不断发展,纳米复合材料表现出了很多优异的性能,被广泛应用于机械、微电子、光学、化工、医药等众多领域。然而由于纳米复合材料本身微观结构的复杂性,造成在材料宏观力学性能与微观结构的定量关系上缺乏全面系统的研究,直接阻碍着纳米复合材料的进一步发展和应用。因此,建立定量模型研究纳米复合材料中纳米增强相与各种缺陷干涉的新机理是当前十分重要和迫切的任务。本文以纳米复合材料为研究对象,较为系统地研究了其中的纳米增强相与位错、向错、裂纹等各类缺陷的相互干涉效应及其与材料强度和断裂韧度的关系。基于实验观测现象,建立了相关的力学模型,综合运用弹性复势方法和连续位错模型法,得到了系列复杂微观结构问题的精确解答。通过数值结果系统地讨论了夹杂半径、夹杂分布、位错位置、裂纹长度、涂层厚度、材料弹性失配以及界面应力等因素对位错力、位错平衡位置、裂纹尖端应力强度因子、能量释放率等的影响规律。本文不仅丰富和发展了弹性理论的复势方法,还可以为纳米复合材料的优化设计提供科学依据。主要研究成果如下:(1)采用表/界面应力模型,研究了纳米线环形涂层中螺型位错偶极子与纳米线的干涉效应。运用弹性复势方法,获得了纳米线和涂层两个区域复势函数的精确表达式以及作用在螺型位错上像力的解析表达式。详细分析了纳米线尺寸、涂层厚度、材料弹性失配以及界面应力等对纳米线涂层中螺型位错偶极子运动和平衡稳定性的影响规律。研究发现,考虑界面应力后,界面发生了局部的硬化和软化,使硬纳米线可以吸引位错偶极子,而软纳米线可以排斥位错偶极子。纳米线的半径越小,界面应力对位错力的影响越大。当纳米线的半径较小时,位错力对半径的尺度依赖效应非常明显,相反,当纳米线半径较大时,界面应力的影响可以忽略不计。另外,界面应力不仅可以改变涂层中螺型位错偶极子的平衡点数量,还可以改变临界涂层厚度。(2)利用连续位错模型法,研究了在外力作用下夹杂和刃型位错同时存在时对有限长裂纹扩展的影响规律。通过数值求解柯西型奇异积分方程,获得了裂纹尖端的应力强度因子。详细讨论了材料弹性失配、刃型位错位置以及夹杂半径对裂纹尖端应力强度因子的影响规律。研究发现,随着刃型位错位置的变化,刃型位错有可能屏蔽或者反屏蔽裂纹尖端,并且刃型位错离裂纹尖端越近,刃型位错的影响越大。不同于在外力作用下的情形,在刃型位错作用下,随着刃型位错位置的变化,软夹杂和硬夹杂都有可能屏蔽或者反屏蔽裂纹尖端,而且刃型位错离夹杂越近,夹杂对裂纹尖端应力强度因子的影响越大。在单轴拉伸加载下,硬夹杂屏蔽裂纹尖端,软夹杂反屏蔽裂纹尖端,夹杂和刃型位错对裂纹扩展的影响存在竞争关系。当刃型位错和裂纹之间的距离小于一定值时,刃型位错是影响裂纹扩展更重要的因素。当刃型位错与裂纹之间的距离等于一定值时,刃型位错和夹杂抵消彼此的影响。当刃型位错与裂纹之间的距离大于一定值时,夹杂对裂纹扩展的影响占主导地位。(3)利用表/界面应力模型,研究了在拉伸加载下纳米夹杂内部裂纹的扩展问题。运用连续位错模型法,获得了裂纹尖端的应力强度因子。揭示了界面应力、材料弹性失配、裂纹长度以及纳米夹杂半径对裂纹尖端应力强度因子的影响规律。结果表明,在单轴拉伸加载下,正(负)的界面残余应力和正(负)的界面弹性常数都减小(增大)裂纹尖端的应力强度因子。在正(负)界面残余应力的作用下,硬基体增大(减小)裂纹尖端的应力强度因子,而软基体减小(增大)裂纹尖端的应力强度因子。随着裂纹尖端趋近于界面,纳米夹杂和基体之间弹性失配的影响增强,界面应力的影响同样增强。随着纳米夹杂半径的减小,界面残余应力和界面弹性常数对裂纹尖端应力强度因子的影响增大。在正界面残余应力作用下,当半径减小到一定值时,即使存在外力,裂纹也不会扩展。(4)通过运用楔形向错四极子模型来模拟孪晶,研究了纳米复合材料中纳米夹杂对孪晶和晶界交叉处裂纹形核和Zener裂纹扩展的影响规律。纳米夹杂和基体的界面条件通过引入界面应力进行修正。详细探讨了纳米夹杂剪切模量,半径、位置、界面应力和外力等对纳米裂纹形核和Zener裂纹扩展的影响规律。研究发现,在外力作用下,硬的纳米夹杂抑制纳米裂纹的形核和Zener裂纹的扩展,而软的纳米夹杂促进纳米裂纹的形核和Zener裂纹的扩展。因此,硬的纳米夹杂不仅能大幅度提高纳米复合材料的强度,还可以改善材料的断裂韧度。随着纳米夹杂半径的增大或者纳米夹杂接近孪晶,纳米夹杂对纳米裂纹形核和Zener裂纹扩展的影响增大。正(负)的界面残余应力和界面弹性常数都抑制(促进)纳米裂纹的形核和Zener裂纹的扩展。然而,界面弹性常数对裂纹形核和扩展的影响并不明显。界面残余应力的影响大于界面弹性常数的影响。