长期以来，材料性能的提升往往依赖于合金化思路，但随着需求量日增，对材料性能的要求日渐苛刻，导致合金材料成本不断攀升，而合金性能的提升随着合金化元素的增多也逐渐趋缓。同时，废弃合金对材料的回收利用也带来挑战。合金化的本质是引入其它元素，改变原有晶体的电子态、应变场或形成新相，以期提升材料性能。由于孪晶、堆垛层错和晶界等面结构在晶体中广泛存在，且同样具有改变晶体原有电子态和应变场的作用。因此可以通过减少或不使用合金元素，通过对晶体中的内禀界面进行纳米结构化设计来实现材料性能的提升。从而替代合金化，减少合金元素的使用，促进材料的回收和再利用。本文研究对象镍基超合金中基体Ni与增强相Ni₃Al呈镶嵌式共格结构，且增强相Ni₃Al的超晶格结构使其具有特殊的面结构，如超晶格内禀堆垛层错、复杂堆垛层错、反相畴界和孪晶界。同时超合金中的Ni/Ni₃Al共格界面对其力学性能的影响亦不可忽视，这使得存在至少五种界面来调控和改善其力学性能。因此采用纳米结构化设计策略来提升镍基超合金的力学性能不失为一条有开拓性的蹊径。本文主要从面结构调控机制和Ni/Ni₃Al异质共格界面调控机制两个方面开展研究。

在面结构调控机制方面，通过研究增强相Ni₃Al中已知的超晶格内禀堆垛层错、复杂堆垛层错、反相畴界和孪晶界四类典型的面结构与位错的相互作用，阐明了面结构的强韧化规律和微观力学机制，揭示了位错与面结构的相互作用机理，主要的研究结论如下：

（1）超晶格内禀堆垛层错和孪晶界的强韧化机理：超晶格内禀堆垛层错可显著地提高Ni₃Al纳米线的强度和韧性，相较于孪晶，超晶格内禀堆垛层错的强韧效果更为明显，且两者强度分别与其特征尺寸的1次方和1/2次方成反比。两种面结构的强化因子是超晶格内禀堆垛层错与孪晶界对位错的阻碍作用以及钉扎效应，软化因子是孪晶迁移和退孪晶。强化和软化因子的竞争机制导致超晶格内禀堆垛层错和孪晶界具有择优强韧化机制。

（2）复杂堆垛层错和孪晶界的硬化机理：复杂堆垛层错和孪晶界都可实现硬化效果，并且同时具有特征尺寸择优硬化机制，两者特征尺寸临界值为3 nm。在临界值以下，复杂堆垛层错的硬化效果强于孪晶界，反之亦然。复杂堆垛层错和孪晶界的硬化因子主要是面结构对位错运动的阻挡、超晶格内禀堆垛层错的形成以及位错钉扎效应。软化因子主要为复杂堆垛层错的褪去、退孪晶和孪晶迁移。

（3）纳米压入中主导Pop-in事件的位错反应机理：通过浅压痕纳米压入实验和分子模拟，揭示了超合金压入过程中的Pop-in事件是由位错反应引起堆垛层错四面体的形成所导致的，Pop-in事件的连续发生对应着Ni₃Al中堆垛层错四面体的连续构建。此外，建立了位错中储存的应变能与外力功之间能量转换的理论模型，两者之间的动态平衡导致压入过程中Pop-in事件的连续产生。

（4）面结构与棱柱型位错环对交互作用机理：首次在Ni₃Al发现了棱柱型位错环对结构，并探究了超晶格内禀堆垛层错、复杂堆垛层错、孪晶界和反相畴界与位错环对的交互作用机制，研究表明面结构能有效地阻碍位错环的运动，即面结构能有效提升材料力学性能。并建立了位错/结构碰撞界面增强模型，提出了界面阻挡系数的概念，定量地表征了四类面结构的硬化效果。

在Ni/Ni₃Al异质共格界面调控机制方面，采用分子模拟揭示了镍基超合金增强相与基体之间的共格界面失配位错网络结构，探究了共格界面失配位错网络在镍基超合金中的调控机理。主要的研究结论如下：

（1）异质共格界面失配位错网络与刃位错偶极子对交互作用机理：首次在镍基超合金中构建了刃位错偶极子对，并探究了共格界面失配位错网络与刃位错偶极子对的交互作用机制。研究表明界面失配位错网络可有效阻碍和吸收基体位错，使其在界面处堆积实现强韧效果。并建立了刃位错偶极子激发周期加载率效应的理论模型，得到了计算特定位错形成能的新手段。

（2）镍基超合金屈服强度温度奇异性的分子机制：镍基超合金因其特殊的异质共格界面失配位错网络结构，在高温环境下呈现独特的屈服奇异性。首次通过分子模拟揭示了镍基超合金中三维共格界面失配位错网络结构演化的温度效应，阐释了其屈服强度奇异性行为的位错演化机制，表明镍基超合金屈服奇异性是由于不同位错的发展及滑移系激发顺序所主导，为实验上镍基超合金的屈服奇异性给出了原子尺度的合理解释。