金属纳米晶材料在许多方面具有比常规多晶材料更优越的性能。然而,一旦其中的纳米晶粒组织发生晶粒长大成为亚微米甚至微米级的粗晶组织,纳米晶材料所具有的特殊性能将显著减弱甚至消失。因此,研究纳米晶材料的稳定性和纳米晶粒长大特性对保持纳米尺度显微组织及其优异性能具有十分重要的科学意义和实用价值。本文采用计算机仿真和实验两种手段系统研究纳米晶粒长大过程中的组织演变及动力学规律。　　 根据纳米多晶材料的结构特性,将金属纳米晶块体的显微组织分为纳米晶界和纳米晶体两部分,针对这两部分空间建立三维元胞自动机(CA)模型。将本研究组建立的纳米晶热力学理论模型中的热力学函数关系引入CA仿真算法,赋予各不同性质的元胞以特定的热力学能量状态。由此建立了三维的金属纳米晶热力学/CA算法相耦合的定量化、可视化计算机仿真模型,以之模拟研究纳米晶材料的热稳定性及其演变规律。　　 利用三维金属纳米晶热力学/CA耦合模型模拟研究了金属Co和Cu纳米晶等温和变温晶粒长大过程。等温晶粒长大模拟结果表明,纳米晶粒长大指数n不是常数(传统粗晶材料的晶粒长大指数为常数)。变温晶粒长大的模拟研究表明,在一定的中间温度区域,纳米晶具有突发的快速长大速率,而在较低和较高温度区间晶粒长大速率均较缓。此外,不同初始晶粒尺寸的纳米晶变温晶粒长大模拟结果表明,不同初始尺寸的金属纳米晶具有不同的快速晶粒长大温度区间。　　 利用高能球磨结合放电等离子烧结技术制备出了Cu纳米晶块体材料,并设计了系列实验研究Cu纳米晶的晶粒长大行为。发现在一个中间温度区间(300℃～500℃)Cu纳米晶粒发生不连续快速长大。由此证实了三维金属纳米晶热力学/CA算法耦合模型预测结果的合理性。　　 通过热力学计算分析了压力对于金属纳米晶粒长大过程的影响。将压力因素引入三维纳米晶粒长大热力学/CA算法耦合模型中,模拟研究了压力作用下的变温晶粒长大过程。结果表明,压力并不一定单向地对晶粒长大起抑制作用,而是与纳米晶材料的初始晶粒尺寸有关。存在某一临界晶粒尺寸,当纳米晶材料的初始晶粒尺寸超过该值时,压力对晶粒长大可能产生相反的作用。　　 本文所建立的三维纳米晶组织粗化行为的热力学/CA算法耦合模型,不仅可以可视化地显示纳米晶组织的演变过程,而且可以定量化地预测纳米晶粒长大的动力学。该仿真模型为研究纳米晶材料的热稳定性及晶粒长大动力学提供了一种快捷有效的手段。