近年来,纳米多层材料由于其独特的物理结构和优异的力学性能,被广泛应用于微电子机械系统、医学高分子材料、航空航天等民用及军用领域。然而,当材料的几何尺寸达到几个或者几十个纳米时,纳米晶体材料也会因其纳米效应而表现出不同于宏观加工过程的力学性能。因此,为了优化超精密加工过程中的机械性能以及提升加工效率,有必要深入研究纳米多层材料在机械加工过程中的去除机制和亚表面损伤机理,进一步提升加工质量、降低加工成本。众所周知,纳米级机械加工过程存在控制难、测量技术受限、研究成本较高等缺陷,使得利用实验方法研究纳米磨削加工机理存在较大困难。目前,采用分子动力学仿真模拟来研究纳米材料的超精密加工过程,可以实现直观地、动态地追踪原子运动轨迹以及观察微结构演变。因此,基于分子动力学仿真模拟研究纳米多层材料在超精密加工过程中的力学性能和变形机制,对实际微纳机电系统器件的机械加工有着非常重要的参考指导意义,极大地缩短超精密微纳加工的发展周期。对于广受关注的纳米多层材料,其超精密加工性能、表面创成机制以及亚表面损伤机理仍然没有被清楚地揭示。因此,为了使纳米多层材料在超精密加工过程中实现高效低亚表面损伤甚至无损加工,本论文系统地研究了加工过程中刀具与工件之间的交互作用规律,分析了不同的加工参数对纳米多层材料表面完整性和去除机制的影响,探讨了纳米多层材料界面对位错滑移机制的影响。本论文的主要研究工作如下:(1)基于分子动力学模型研究Ni/Cu纳米多层材料在金刚石刀具纳米加工下的去除机制和亚表面损伤机理。通过改变磨削速度、刀具半径和切削深度等机械加工参数,研究了工件的位错滑移、表面形貌、加工温度、切削力的变化规律。通过建立纳米尺度三维仿真模型,使用OVITO可视化软件追踪加工过程中的原子运动轨迹,预测在稳定刻划过程中不全位错的发射条件,为实现低损甚至无损加工提供理论参考依据。结果表明,在Ni/Cu纳米多层材料超精密加工过程中,较高的磨削速度会导致更高的加工温度、较低的亚表面损伤,同时,更多的磨屑被生成,需要更大的切削力来维持稳定的磨削过程。当磨削速度大于150m/s,工件的亚表面损伤有所增加,归因于较高的磨削速度导致更大的磨削温度,进而加速了位错的形核和滑移。随着刀具半径的增大,伴随着层错原子数目增加以及缺陷结构的增加。换而言之,较大的刀具半径增加了刀具和工件间的作用面积,导致更高的磨削温度和磨削力以及大量的位错产生。随着切削深度的增加,工件的缺陷结构增加,较低的切削深度可以有效地提高Ni/Cu纳米多层材料的去除率和降低亚表面损伤。(2)使用分子动力学三维仿真软件研究了金刚石刀具磨削Al/Si金属陶瓷纳米多层材料的机械加工过程的塑性变形机制。从位错运动、原子轨迹、缺陷结构、堆垛层错的演变、磨削温度和平均磨削力方面,深入研究了刀具半径、切削深度和磨削速度对材料去除机制的影响。研究表明,金属-陶瓷(Al-Si)纳米多层材料界面的存在阻碍了位错的通过,使得金属-陶瓷(Al-Si)纳米多层材料的强度得到增强;其次,陶瓷-金属(Si-Al)纳米多层材料界面能够增加位错通过界面时的能力,从而提升材料的延展性。此外,较大的刀具半径、较高的磨削速度和较深的切削深度会增加纳米多层材料的切削体积,并导致更高的磨削温度。在相同的加工条件下,由于Si的硬度和屈服强度均高于Al,因此陶瓷-金属(Si-Al)纳米多层材料中的上述变化比金属-陶瓷(Al-Si)纳米多层材料中的变化更加明显。