Al,Cu和Ni等面心立方(FCC)金属具有优良的综合性能,在航空航天、汽车、国防和电子等领域得到了广泛的应用。然而FCC金属层错能较高,孪生应力较大,材料中很难产生孪晶,限制了其更为广泛的应用。现代科技的发展要求对材料变形机理有更加准确和深入的认识。计算材料设计可以克服实验条件和设备的限制,模拟某些实验中难以观测的过程,并兼具高效、便捷等优点。本论文针对FCC金属中层错和孪晶等实际科学问题,利用第一性原理计算,通过改进和推广相互作用能模型,结合缺陷浓度费米-狄拉克分布函数,广义层错能及Peierls-Nabarro(P-N)模型等理论,系统研究了合金原子对位错、层错和孪晶的影响。首先,基于现有的广义层错能解析式,将六方晶体适用的周期性超胞模型成功推广应用至计算FCC晶体的广义层错能。并比较了真空层模型,Alias剪切模型和超胞模型三种方法计算广义层错能的优劣,由于受到外界干扰和限制少,超胞模型的计算结果较其他两种方法更为精确可靠。此外,利用超胞模型得到的Al,Ag,Cu和Ni的广义层错能面,结合二维P-N位错模型研究了螺型和刃型位错的分解宽度等其他基本参数。结果表明Al,Ag,Cu和Ni四种FCC晶体所有的全位错都会分解为两个肖克莱分位错,且螺型位错有多个能量较低的稳定状态,而刃型位错只有一个稳定状态。Al,Ag,Cu和Ni四种晶体的刃型位错的分解宽度比螺型位错的分解宽度要大,说明FCC晶体中刃型位错更容易分解。其次,选择高层错能的Al合金作为目标材料,利用第一性原理计算系统研究了本征缺陷,替换式溶质原子和间隙原子在不同浓度和温度条件下,对块体Al材料层错能的影响,并通过分析层错周围溶质原子的电子结构,从微观角度解释了层错能降低的物理机制。研究表明:大部分本征缺陷很难改变Al的层错能,若存在四面体自间隙原子,并且在200K条件下保持较高的浓度,则可以大大降低纯Al的外禀层错能;而替换式溶质原子Y,Sr和Sc,间隙原子C,N和H在低温条件下能明显降低Al固溶体的稳定层错能。我们的计算从理论上预言了在Al材料中引入孪晶的可能性。然后,研究了 31种合金原子在孪晶界周围的偏析情况,进而得到了它们对Al合金孪晶形成能的影响。我们发现,尽管K,Cs,Er,Rb,Sr,Fe,Yb,Ba,La,Ca和Y等在铝合金中不太常见的原子在A1中的固溶度很小,但是它们与孪晶界之间的相互作用很强,因此,在低温条件下亦能明显降低块体Al材料的孪晶形成能。随着温度的升高,由于受到均匀化效应的影响,合金原子不再在孪晶界周围偏析,而是在Al基体中逐渐趋于均匀分布,这样就削弱了它们降低孪晶形成能的能力。相较而言,Mg,Zn,Sc和Ag等Al合金中常规原子与孪晶界的相互用能比较小,但它们在Al合金中有较大的固溶度,因此,它们能大幅降低Al固溶体的孪晶形成能,且在高温下仍能保持较好的降低效果。再者,在相互作用能的基础上,利用第一性原理计算研究了 18种置换式,5种间隙式溶质原子在不同浓度和温度条件下对Cu固溶体层错能的影响。结果表明溶质原子在距离层错面两个原子层的位置仍然和层错之间存在相互作用。其中置换式溶质原子Sn,Al,Zn,P,Si,Ge及间隙原子Be,C,N,O,H与层错之间有较强的吸引相互作用,而Ti,Mn和Cr原子则受到层错的排斥作用,其余的溶质原子与层错的相互作用非常小。基于合金原子与层错间的相互作用,我们对比研究了合金原子费米-狄拉克分布和均匀分布对Cu固溶体层错能的影响,发现相对高浓度的Sn,Al,Zn,P,Si,Ge,C,N和O溶质原子在低温下能够显著降低Cu固溶体的层错能。最后,将单原子杂质模型进一步推广至多元杂质体系中,研究了单个原子(Mn,Al,Si 和 C),Mn-X 二聚体和 Mn2-X 三聚体(X=Al,Si,C 和 N)对高锰奥氏体钢层错能的影响。首先分析了 Mn-X和Mn2-X的最佳构型和分布,然后分别讨论了在相对浓度较低(<10at.%)的情况下单个X原子,Mn-X和Mn2-X对层错能的影响。结果发现,对单个合金原子而言,Mn原子降低高锰钢的层错能,而Al,SiC和N原子能明显增加其层错能。当Mn原子与其他合金原子结合形成Mn-X二聚体时,它们对层错能的影响几乎和对应的单个X原子一致。Mn2-X三聚体与层错的相互作用能明显强于对应的单个X原子,从而大幅增加高锰钢的层错能。而Mn2-N对层错能的影响与N原子相当。本论文利用改进模型,通过对FCC金属位错、层错和孪晶等晶体缺陷的系统研究,从理论上预言了在Al这类高层错能FCC合金中引入孪晶的可能性,为后续实验验证提供了可靠的理论依据和指导。