金属材料变形失效主要是内部缺陷的产生和扩展引起的。微观下,缺陷的产生和扩展在纳米尺度范围内进行,通过宏观实验和有限元相结合的方法不能分析其变形失效微观机理,采用分子动力学研究金属材料变形与失效是目前的主流方法。本文基于分子动力学方法利用分子动力学软件LAMMPS研究含缺陷单晶镍、单晶α-Ti、单晶镍钛合金在拉伸载荷作用下材料的变形和失效过程。首先,研究了含孔洞单晶镍变形失效过程及多种因素对其力学性能的影响。在整个单轴拉伸过程中,可以分为弹性变形、塑性变形两个阶段,与宏观拉伸类似,弹性阶段的应力应变关系符合胡克定律。单晶镍在[100]方向单轴拉伸下,失效的主要原因是:位错原子在孔洞表面形核,随之在滑移面{111}沿着滑移方向<110>形成位错剪切环,并不断相互交错生长,滑移面上的原子出现fcc结构转变为hcp结构。温度、应变率、孔洞半径对单晶镍的屈服强度和弹性模量都有影响:温度升高,屈服强度和弹性模量均降低。拉伸应变率增大,屈服强度增大,弹性模量不受影响。孔洞半径的增大导致屈服强度、弹性模量都减小。其次,对含裂纹单晶α-Ti沿[0001]方向单轴拉伸过程进行了研究,分别讨论了温度、应变率对裂纹扩展的影响。在整个单轴拉伸过程中,可以分为弹性变形、塑性变形两个阶段,与宏观拉伸类似,弹性阶段的应力应变关系符合胡克定律。破坏机制如下:裂纹首先产生钝化现象,然后尖端位错形核-位错发射-原子滑移-孪生现象-少量相变,最终材料断裂,在此过程中,位错发射,孪生现象扮演了主要角色;温度和应变率的升高都会导致屈服强度降低。最后,在循环应力加载条件下,研究了单晶镍钛形状记忆合金的超弹性行为,并且针对不同镍钛原子比例对超弹性行为的影响进行了分析。单晶镍钛合金具有超弹性行为,是由于在加载过程中发生奥氏体B2→马氏体B19’相变,出现了奥氏体弹性变形、马氏体相变、马氏体弹性变形三个阶段;卸载过程出现了马氏体弹性变形、马氏体逆相变、奥氏体弹性变形三个阶段。在一定范围内,不同镍钛原子比例,单晶镍钛合金都具有超弹性,随着钛原子的增加,发生相变的临界应力增加,发生逆相变的临界应力减小。