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材料的塑性变形与断裂是材料中最基本和最重要的力学行为，它与材料的强度直接相关。研究材料在某一特定条件下发生塑性变形的微观机制，并把微观机制与宏观可测性能相联系起来，对于材料的实际应用与新材料的设计都具有十分重要的指导意义。铁是人类在实际生产和生活中应用最为广泛的金属材料之一，研究体心立方α-Fe的形变机理和断裂机制，对于工程上的应用也是极为重要的。
本文运用原子模拟方法(分子动力学方法)，从微观的角度研究了α-Fe中裂纹扩展的动力学行为，给出了裂纹在I型外载作用下的形变特点和断裂机制，重点分析了裂尖的脆性解理和塑性形变之间的竞争过程。主要研究内容及结果如下：
通过对不同晶体取向的α-Fe裂纹的动态扩展过程的研究，结果表明，低温时，各晶体取向的裂纹，其断裂机制均为脆性解理扩展，同时伴随有裂尖附近的少量塑性形变。裂纹的脆断行为是裂尖原子键破断与不全位错发射及运动相结合的过程。当温度升为室温时，裂纹附近发生大量的塑性形变，导致裂纹发生韧性断裂。但不同晶体取向的裂纹表现出的形变现象和断裂机理有所不同。(010)[001]裂纹和(011)[100]裂纹表现为连续的切变或滑移引起的韧性断裂；而(011)[011]裂纹和(010)[101]裂纹则表现为微孔洞的形成，长大和聚集而引起的韧性断裂。不论在低温还是室温下，都能观察到不全位错的发射。纳米裂纹完全不同的演化特征是区别脆性断裂与韧性断裂内禀特性本质的标志。随着温度的升高，位错更容易运动，从而离开裂尖，致使更多的位错能够被发射。高温时裂尖附近塑性形变增加，裂尖前端出现纳米空洞，裂纹发生钝化。晶格捕获效应随温度升高而逐渐减弱，表明热激活作用能克服晶格捕获对裂纹扩展的阻碍。温度越高，临界应力的上限值也越人，这说明断裂的阻力随温度的增加而增人。外应力场的大小不影响裂尖的弹性形变过程(裂尖原子的断键行为)，只影响裂尖的塑性形变的表现形式，因为缺陷形核的位置具有随机性，从而影响了后续的位错运动。模型的尺寸效应仅仅影响相关形变机制出现时的临界应力值，而不影响裂纹本身的形变特性。
通过对低温时α-Fe的脆性解理及层错和孪晶的形成过程的研究，我们发现：低温时，a-Fe中(0lO)[10l]裂纹的断裂机制为脆性解理扩展与层错或孪晶的生成相结合的过程。在裂纹扩展之前，首先在裂尖前端｛112｝〈111〉滑移系中观察到堆垛层错的产生，并在其边沿伴随着α/6<111>不全位错的发射；随后堆垛层错转化为多层孪晶。此现象是由于滑移面上的堆垛层错能小于表面形成能所导致的。孪晶的扩展促进了裂尖原子开始断裂，同时观察到扩展位错的形核。发射的位错产生I型应力强度因子，屏蔽了外载作用从而使得裂纹扩展的临界应力的上限值σ<,+>高于σ<,G>；发射的位错同时还产生一个II应力强度因子，导致裂纹产生宏观切变效应。裂尖的应力场分析与裂纹结构演化现象结果一致。同时对模拟观察到的断裂的微观过程给出了宏观断裂力学框架内的解释和证明。
材料的晶格振动特性与材料的宏观物性直接相关。运用实空间下的recursion方法和Green函数方法，计算了裂尖区附近原子的局域振动态密度及相关热力学性质。结果如下：计算得到的α-Fe的振动性质及相关热力学性质与实验值符合得很好，这说明计算过程中使用F-s势函数(考虑二次近邻原子的相互作用)是非常有效的。裂尖区原子的局域振动态密度及局域振动能与体声子谱及体原子振动能有着明显的不同，表明裂尖区原子与体原子具有完全不同的键合特性，这与裂尖区的高应力场密切相关。因此，一些与材料性质相关的过程，例如原子键断裂、形变滑移以及位错的形核，发射等容易在此区域发生。随着原子远离裂尖区，基体原子的局域模消失，其局域振动态密度逐渐接近于完整晶体的声子谱曲线；同时局域振动能也趋于完整晶体原子的振动能。这表明微裂纹缺陷所引起的声子激发具有局域效应。此外，计算结果还表明含有微裂纹的体系的振动熵高于相应的完整晶格体系的振动熵，缺陷体系高振动熵的状态反映了与裂纹应力场相关的声子效应。