材料中广泛存在的晶界会对其性质会产生重要的影响。晶界偏析工程的目标是通过往材料晶界上引入掺杂,改变晶界的结构和化学组成,实现对材料微观结构和性质的调控。但晶界偏析工程涉及的合金体系庞大,已报道的研究结果离散,难以总结系统规律。此外,目前测试技术和大尺度模拟方法很难在电子-原子等微观尺度上研究晶界偏析问题,掺杂对晶界的影响机理还未被阐明。本文采用高通量第一性原理计算,以金属Cu的Σ5(310)晶界为研究对象,系统研究了不同类型元素对晶界的掺杂效应,获得的全面数据可以为实验遴选合适掺杂元素提供理论依据。研究了非金属元素的偏析能力以及对晶界性质产生的影响,发现非金属元素都倾向于偏析到材料的晶界,倾向于占据的位置与其原子半径相关。晶界能量随着非金属原子半径增加而降低。结合Rice-Wang脆化模型和第一性原理拉伸实验研究了掺杂对晶界强度的影响和机理,发现非金属元素与Cu之间的电子相互作用是造成晶界强化/脆化作用的关键因素。结果表明:B与Cu之间共价作用能使晶界拉伸强度增加1%,O与Cu之间强极性作用使拉伸强度下降12%。基于元素周期表电子结构分区,构建了s区、p区和d区金属元素掺杂的Cu晶界模型,研究了金属掺杂对晶界能量和强度的影响。结果表明金属原子半径越大,偏析能力越强,晶界能量越低。晶界强度与金属原子半径和电子结构相关。从机械贡献角度来说,原子半径越大,脆化作用越明显。从化学贡献角度来说,s区元素与Cu之间弱电子作用对晶界强度没明显的影响;p区元素与Cu之间极性作用会弱化晶界强度;d区元素与Cu之间强d电子作用能显著提高晶界强度。构建金属和非金属共掺的晶界模型并研究了共掺效应。发现金属和非金属的空间位置取决于它们的电负性和原子半径,电负性差值越大,两种元素越倾向于成键,但原子半径过大,两种元素倾向于远离。较大原子半径的金属和非金属能更有效地填充晶界过剩自由体积,更有利于降低晶界能量。过渡态金属的d电子和非金属的s/p电子之间的强烈相互作用,会弱化过渡态金属与Cu之间的d电子作用,对晶界强度产生明显的脆化作用。