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超硬材料通常是指维氏硬度超过40 GPa的一类材料,cBN和diamond是超硬材料的典型代表,这些材料一般具有高硬度、高强度和高耐磨性等优异的力学性能,可用于精密/超精密加工刀具、工具和模具的表面涂层。随着现代加工制造业的飞速发展,日益苛刻乃至极端恶劣的服役条件对这类涂层材料提出了越来越高的要求,为满足这些日益严苛的要求,人们借鉴金属中细晶强化的理念,通过引入纳米孪晶、纳米多层膜和纳米多晶等纳米结构优化超硬陶瓷的力学性能。因此,通过对本征超硬材料diamond和cBN进行非本征微结构设计,可能是获得综合性能更加优异的涂层材料的有效途径。然而在不同变形条件下此类材料的变形机理、微结构最优形态及其影响尚不明确,这限制了其设计、开发与应用。针对这些问题,本文采用分子动力学模拟,研究了纳米结构diamond和cBN的力学特性、变形与损伤机理,主要结果如下:（1）以第一性原理计算和实验的结果为参考,验证了用于diamond体系的Tersoff势函数的准确性,修正了cBN体系的Tersoff势函数,修正后的势函数可较好地描述cBN的力学和物理性质,并采用该势计算了广义层错能,预测了各滑移系的滑移顺序。（2）模拟了单晶diamond和cBN纳米压痕力学行为,分析了它们的塑性变形机理和压痕各向异性。结果表明:两种材料中均发生了塑性变形,且均以{111}<110>拖动型全位错为主,伴随着少量的{111}（27）112（29）滑动型不全位错,与实验结果和理论预测一致;cBN在压痕过程中经历了胚胎位错环、剪切环到棱柱环的过程,而剪切环螺型末端的交滑移是形成棱柱环的原因。但在diamond中只有胚胎位错环和剪切环,可归因于diamond中激发及驱动位错运动需要更大的能量;两种材料均表现出明显的弹塑性各向异性,这是由于不同晶面原子堆垛与排列不同导致应力分布的差别;两类陶瓷在纳米压痕下具有相近的弹塑性行为,可归为一类研究。（3）模拟了不同孪晶厚度的孪晶cBN的纳米压痕响应,分析了孪晶界及孪厚的影响。结果表明:向cBN中引入纳米孪晶可明显提升其弹性模量、硬度与塑性变形能等力学特性,且这些力学特性均随孪晶厚度的减小而增大;弹性性质的增强源于孪晶界的弹性模量高于孪晶层,而硬度与塑性变形能的提升源于孪晶界影响压痕过程中材料内的微缺陷形核、扩展与演化等塑性行为;位错的滑移传递、位错在界面处的塞积及位错形核被抑制引起强化,位错与界面反应引起的共格孪晶界破坏、位错平行于孪晶界的滑移及位错从孪晶界反应点处形核为引起软化,两种机制的相互竞争与耦合作用共同决定了材料的力学性能;基于上述强弱化机制,总结了硬度与孪晶厚度的关系式,该式可较好描述了硬度对孪晶厚度的依赖性,并可用于解释实验中cBN的孪晶超硬现象。（4）研究了{111}cBN/diamond半共格纳米多层膜的界面匹配模式与纳米压痕响应特性,对比分析了共格、半共格与孪晶界面对多层膜力学性能与塑性变形的影响。模拟结果表明:驰豫后的{111}半共格界面呈等边三角形网格,包含共格区、层错区和节点,失配位错为刃型a/6<112>Shockley不全位错,在压痕过程中,半共格界面层错区不断长大,失配位错线也不断增长,直至层内形核位错;共格和孪晶样本中位错从压痕处形核,而半共格样本中位错从界面处向两侧组元内形核;两组元间的弹性模量与层错能等差异均可使三个样本强化,此外,共格样本还有共格应力强化及界面交叉软化,半共格样本还含界面失配位错引起的失配应力强化及界面缺陷活动与界面交叉软化,而孪晶样本也存在界面共格应力强化和位错滑移转换强化,而界面交叉的现象则不会发生,因而具有更高的硬度。（5）研究了多晶diamond的单轴拉伸特性,探讨了应变率、退火温度和晶粒尺寸的影响。模拟结果表明:当应变率小于5×109 s-1时可视为准静态加载;拉伸失效模式为沿晶和穿晶断裂,该失效模式对应变率、退火温度和晶粒尺寸的依赖性不明显;断裂应力和应变随应变率增大而增大;断裂应力和应变随退火温度增大而增大,归因于较高的退火温度驱使晶界原子处于势能较低的状态,从而使体系更稳定;随着晶粒尺寸的增大,晶界占比减小导致杨氏模量增大而断裂应变减小,而晶界处应力集中趋于严重从而引起更小的断裂应力。