近几十年来,纳米科技快速发展,微电力系统和纳米智能设备广泛应用,纳米结构复合材料正日益成为力学、材料科学和固体物理方面交叉研究和开发的重点。大量研究表明,纳米尺度材料的力学性能和微结构演变强烈依赖其维度和尺寸。因为高的表/界面体积比导致表/界面效应对材料性能影响很大。因此,研究表/界面效应对各种位错、向错与纳米夹杂、裂纹、空位等显微结构相互作用的影响有助于解释纳米结构材料一系列尺寸相关的物理和力学性能,包括广义位错的强韧化机理等；也有助于说明这些研究的科学意义和应用价值。本文以纳米结构复合材料为研究对象,较为系统地研究了刃型位错、向错与纳米尺度裂纹、夹杂、空位等各类纳米显微结构的相互作用机理及其与材料强韧化和断裂破坏的关联。基于实际工程应用,建立了各类相应力学模型,发展了求解复杂多相多连通域混合边值问题以及尺度相关表/界面平面问题的分析方法,并将该方法成功应用于求解和分析系列复杂显微结构问题的干涉应力场、位移场、位错像力、向错的材料力、位错和向错的平衡位置和稳定性以及对裂纹的屏蔽效应、裂纹尖端应力强度因子及其发射位错的临界条件等宏、细及微观物理量及现象。主要研究成果如下：1.获得了刃型位错在纳米结构复合材料中(包括含纳米涂层、纳米介孔及纳米线等)的弹性干涉力及其形核临界条件,利用弹性复势方法获得了所求问题的封闭形式解答,揭示了材料弹性错配、涂层或纳米膜厚度、表/界面效应以及位错相对位置等对刃型位错形核、运动和稳定性的影响规律。结果表明,纳米膜越薄,纳米夹杂和基体对位错滑移力的影响越大；表/界面应力显著影响临界膜厚度,可能使它增大、减小,甚至消失；纳米膜越厚和失配应变越小,表/界面应力的影响越大。2.探讨了向错偶极子在纳米结构复合材料中(包括含涂层的圆柱夹杂、核壳纳米线和纳米管)的弹性行为,获得了作用在向错偶极子中心材料力解析解,并揭示了向错偶极子特征、涂层厚度、材料参数错配和表/界面应力等对向错偶极子中心平衡位置和稳定性的影响规律。结果表明,在纳米结构复合材料中涂层或膜的材料属性强烈影响向错偶极子平衡位置和稳定性；纳米涂层较厚时,纳米线对材料力的影响会被屏蔽；存在两个改变向错偶极子平衡性质的临界涂层厚度；负界面应力减小这两个临界涂层厚度范围,甚至使其消失；偶极子臂长增加和向错增强使界面应力对材料力的影响增大。3.基于表面弹性理论和断裂力学的基本知识,研究了楔型向错偶极子与椭圆钝裂纹的平面弹性干涉问题,获得了Ⅰ和Ⅱ型荷载条件下钝裂纹尖端应力强度因子以及其发射位错的临界应力强度因子解析解,并揭示了钝裂纹构形和钝化率向错偶极子特征及其表征的纳晶界滑移与迁移变形等对裂尖应力强度因子及其发射位错的临界应力强度因子的影响规律。结果表明,向错、纳晶界滑移与迁移变形和裂纹钝化率对椭圆钝裂纹尖端应力强度因子和其发射位错影响很大；随裂纹长度、偶极子臂长和偶极子旋转强度的增加,向错偶极子对裂尖的屏蔽效应增强；向错强度对无量纲临界应力强度因子的影响强烈依赖纳米裂纹钝化率,当纳米裂纹钝化率较小,随向错强度增加,无量纲临界应力强度因子急剧减小；当纳晶界滑移与迁移变形发生时,存在一个临界纳米裂纹长度使位错最易于发射；纳晶粒尺寸对无量纲临界应力强度因子的影响与纳晶界角度有关；正表面应力改变纳米裂纹钝化率对无量纲临界应力强度因子的影响；纳米裂纹钝化率越大,表面应力对无量纲临界应力强度因子和位错发射角度的影响越明显。4.建立了描述相邻纳米空位对其发射位错临界条件影响的广义自洽模型,并由此导出了纳米空位发射位错的临界应力表达式,揭示了各种因素对纳米空位发射位错临界应力和相应最可能发射角度的影响规律。结果表明,纳米空位尺寸增加导致位错发射临界应力快速减小,促进纳米空位增长；当纳米空位尺寸给定时,纳米空位体积分数越大,位错发射越容易,相应位错发射最可能角度越偏向45度方向；而当纳米空位体积分数给定时,相邻纳米空位数越多,位错发射临界应力越大；延性多孔材料中纳米空位越膨胀,纳米空位发射位错越难；纳晶界滑移部分释放纳米空位附近的高局部应力,阻碍纳米空位发射位错；正(负)表面弹性常数表征的表面应力增大(减小)位错发射临界应力；正(负)的表面残余应力减小(增大)位错发射临界应力；而纳晶界滑移时,存在一纳米空位尺寸范围使位错发射临界应力不随纳晶界滑移而变化；存在一纳晶粒临界尺寸使纳米空位最难发射位错。5.基于晶格自扩散控制位错攀移过程的蠕变机理,建立了温度在873-923K范围内NiAl纳米析出强化铁基合金的蠕变模型,导出了驱动位错攀移的构型力公式,揭示了无穷远外载、温度、纳米析出相尺寸、滑移平面高度和界面效应等对纳米析出强化铁基合金的蠕变性能的定量规律。结果表明,随着温度、无穷远外载和滑移平面高度的增加,蠕变阻力明显下降,位错更易于攀移过纳米析出强化相；纳米析出相尺寸增加,蠕变阻力明显增大；正的界面效应降低蠕变阻力,负的则反之；纳米尺度析出相越小,界面效应对蠕变阻力的影响越大。