高熵合金突破了传统溶剂-溶质合金设计范式，为解决金属材料长期存在的强度-塑性矛盾提供了新的材料体系。然而，目前关于高熵合金强韧化的研究大多聚焦具体组织特征或强化现象，缺乏能够贯穿成分设计、组织调控和变形机制的统一理论框架。本文结合作者团队近年来的系列研究成果，提出并系统阐述了熵-焓协同组织调控与强韧化理论。该理论认为，高熵合金的强韧化本质上来源于构型熵与混合焓共同决定的多尺度组织结构及其协同变形机制。基于这一认识，建立了成分设计-组织构筑-变形响应-强韧化效果的统一逻辑链条，并从原子尺度局域化学有序、纳米尺度共格析出、微米尺度亚稳相变以及多尺度组织协同四个层面系统总结高熵合金的强韧化规律。进一步结合典型实例，阐明高熵合金与传统合金强韧化机制的共性与差异，提出高熵合金强韧化设计的普适模型。
研发高强度、耐高温、抗辐照的自修复材料对提高核能系统结构材料及相关零部件的服役安全性至关重要。本工作利用微纳加工技术，制备了[0001]取向的单晶Nb4AlC3MAX相纳米线，并在TEM中对其进行原位定量拉伸测试，以探究其力学行为和断面自修复行为及相关机制。结果表明，Nb4AlC3MAX相纳米线在拉伸应力作用下发生脆性断裂，断裂强度可达6.98 GPa，并具有超高的伸长率(11.5%)。室温条件下其断裂强度可自发恢复30.2%，断面原子重新键合和原子迁移是其自修复的主要机制。电子束辐照可引起晶格膨胀和原子迁移，导致更多原子参与成键，进一步增强其断面自修复效率(断裂强度可恢复56.3%)。
微观组织遗传性是实现TA18合金微观组织和性能调控的基础。本工作以TA18合金铸锭、不同规格锻棒、挤压管坯为研究对象，研究了从铸锭到管坯全流程中微观组织和织构演变的遗传规律及其对力学性能的影响，旨在为多尺度微观组织与性能的一体化控制提供指导。结果表明，从铸锭到管坯成型全流程，其组织遗传特征主要分为三类。(1) 微米级晶粒尺寸和等轴α相组织形貌在粗锻阶段建立后，在后续工序中被稳定遗传，晶粒细化是轴向抗拉强度从400 MPa提升至550 MPa以及延伸率提高的基础。(2) 小角度晶界(LAGB)占比的遗传呈现动态演化。粗锻与精锻阶段的高LAGB占比遗传贡献了加工硬化，但损害塑性；挤压阶段通过动态再结晶实现LAGB低占比遗传，塑性得以恢复。(3) 晶体学织构的遗传受多重因素控制。铸锭中心区域的{0001}//AD (轴向)基面织构与<101¯0>//AD织构在后续加工过程中被强烈遗传，且<101¯0>//AD织构强度持续增加；α相的c轴取向随工艺发生受控演变：粗锻后呈随机分布，精锻后转为径向织构，挤压后则形成周向织构。TA18合金通过原始组织的晶体取向、变形、动态再结晶机制的竞争与协同，耦合控制晶体学取向的遗传与演化，可通过对有益遗传(细晶、有利织构)的强化与有害遗传(高LAGB占比、不利织构)的阻断进行一体化设计，获得兼具高强度与良好塑性的TA18合金管坯。
针对当前3003铝合金力学性能偏低的难题，本工作借助热力学模拟、SEM、EBSD及TEM等手段系统研究了3003铝合金的凝固行为及均质化温度对铝合金微观组织的影响，揭示了不同状态下微观组织与力学性能的关系。结果表明，在凝固过程中，3003铝合金共晶α-AlMnFeSi的形成和长大主要受熔体中Mn元素控制；同时，均质化温度显著影响析出相的尺寸、分布及晶粒边缘区域无析出带(PFZ)的平均宽度，进而影响合金的力学性能。(555 ± 5) ℃均质热处理后，析出相体积分数较高且尺寸较小，显著提升了退火及加工硬化态试样的屈服强度(比(600 ± 5) ℃均质热处理试样高出16~21 MPa)。
激光表面重熔(LSR)技术能够显著提升TC4钛合金的力学性能。深入研究LSR过程中TC4钛合金的显微组织演变规律及其对后续拉伸变形机制的影响，对于进一步优化 LSR 工艺至关重要。本工作在全马氏体TC4试样的正面和背面进行LSR处理，随后开展拉伸实验，利用TEM和EBSD技术分析了材料在拉伸过程中的微观结构演变，特别是{101¯2}孪晶的形成及其分布特征。结果表明，在LSR过程中，激光快速冷却特性显著诱发了残余应力，该效应不仅促进了特定型马氏体变体的优先生成，还降低了孪晶开启所需的临界分切应力；同时，激光处理时Al元素的蒸发降低了材料的轴比c / a，减弱了晶格的各向异性，进一步促进了{101¯2}孪晶的形成。孪晶主要集中于几种具有特定取向的马氏体变体中，这些变体在快速冷却条件下显示出明显的择优生成趋势。
在船用钛/钢混合结构二次焊接过程中，爆炸焊接头经历多次热循环后其界面微观组织和结合性能势必发生转变，直接影响混合结构的结合强度及船舶航行安全。本工作采用模拟瞬态热处理(STHT)实验研究二次焊接过程中温度与钛/钢界面微观组织及结合性能之间的关系。结果表明，当STHT温度低于600 ℃时，界面微观结构保持稳定；当温度达到并超过700 ℃时，钛/钢接头发生回复再结晶，界面附近晶粒明显粗化，由FeTi和TiC组成的界面金属间化合物层的厚度快速增加。随着温度升高，与铝/钢接头的界面结合强度呈现单调下降不同，钛/钢接头的黏结强度和剪切强度先增加后下降，峰值分别在500和600 ℃处出现。中、低温热作用促进原子扩散和应力释放，从而提高界面结合强度；高温下晶粒粗化和金属间化合物生长则导致接头结合强度下降。综合确定钛/钢接头界面的临界温度为600 ℃。
随着高寒地区铁路建设的不断推进，钢轨在低温环境下的疲劳性能引起了广泛关注。目前，许多研究聚焦高强度钢在常温下的疲劳性能，但对于贝氏体钢轨用钢的低温疲劳裂纹扩展行为，尤其是微观组织(特别是残余奥氏体)的影响机制，仍缺乏清晰的认识。本工作以热轧空冷处理的U20Mn2SiCrNiMo (简称U20Mn)贝氏体钢轨为研究对象，采用SEM、TEM、EBSD、XRD等手段对钢轨的显微组织进行了多尺度表征，研究了在室温(20~25 ℃)和-40 ℃下钢轨的常规力学性能与疲劳裂纹扩展行为。结果表明，热轧空冷处理贝氏体钢轨的显微组织以粒状贝氏体/马氏体复相组织为主，含有约10% (体积分数)的残余奥氏体。随着温度降低，钢轨的强度升高，而冲击韧性下降。疲劳裂纹扩展曲线与拟合的Paris公式表明，在一定应力强度因子范围内(8.0~18.0 MPa·m1/2)，-40 ℃下钢轨具有更低的疲劳裂纹扩展速率；但疲劳断口观察结果表明，在-40 ℃时疲劳裂纹扩展呈现由韧性断裂向脆性断裂转变的趋势。分析认为，低温条件下钢轨强度的升高、韧性的降低以及钢中残余奥氏体稳定性的变化三者协同影响是造成贝氏体钢轨低温疲劳裂纹扩展速率变化的内在原因。
作为焊接接头组成部分的焊缝金属，其组织与性能直接影响焊接结构的应用及服役寿命。目前，国内外钢铁企业已成功开发出1000 MPa级高强钢，但其配套焊接材料的强韧性匹配较差，严重制约了该级别高强钢的推广和应用。本工作采用熔化极气体保护电弧焊(GMAW)方法，制备了三种不同Mo含量的1000 MPa级高强钢焊缝金属。利用SEM、EBSD、TEM以及拉伸、冲击等实验手段研究了1000 MPa级高强钢焊缝金属的微观组织和力学性能，阐明了Mo含量对微观组织演变的影响机制。微观组织分析表明，不同Mo含量焊缝金属的组织主要为板条贝氏体(LB)和聚合贝氏体(CB)；随着Mo含量的增加，焊缝金属中大角度晶界占比先下降后上升，焊缝金属组织中贝氏体板条形貌从交织状向平行状转变，CB含量增加。力学性能测试结果表明，随着Mo含量的增加，焊缝金属的淬硬性增加，焊缝金属的屈服强度、抗拉强度和硬度均升高，而冲击韧性先降低后略微升高。冲击断口横截面裂纹分析表明，裂纹易穿过CB，CB的存在明显恶化了焊缝金属的冲击韧性。当Mo含量为0.71%时，焊缝金属强韧性匹配最佳，其屈服强度达(939 ± 10) MPa，抗拉强度达(1181 ± 2) MPa，室温冲击功达(60 ± 3) J。
为了理解纳米晶和普通304不锈钢耐腐蚀性能与微观组织和显微硬度之间的关系，本工作研究了普通304不锈钢(CPSS-304)和采用深度轧制技术制备的纳米晶304不锈钢板材(NSSP-304)三个相互垂直面的显微硬度。利用XRD、TEM和EBSD等方法表征了NSSP-304和CPSS-304的微观组织。结果表明，NSSP-304三个面的显微硬度均大于CPSS-304且显微硬度分布更均匀。NSSP-304轧制面显微硬度比其他两个面的显微硬度高约40 HV，这与其织构({110}<211>)有关。NSSP-304在室温下0.5 mol/L HCl溶液中恒电位极化后，腐蚀速率及其随极化时间的变化范围都小于CPSS-304；在6%FeCl3溶液(35 ℃)浸泡过程中，NSSP-304的腐蚀速率及其变化幅度均低于CPSS-304。在两种溶液中，NSSP-304点腐蚀孔洞的密度和尺寸都小于CPSS-304。尽管NSSP-304制备过程中发生严重的形变(总形变量大于70%)且产生织构、形变孪晶和高密度位错，但是NSSP-304在两种腐蚀溶液中的均匀腐蚀和点腐蚀阻力都高于CPSS-304。NSSP-304的显微硬度和耐腐蚀性能同时提高，与其晶粒细化、形变孪晶、高的位错密度和高的小角度晶界含量形成的价电子结构有关。
天然竹纤维因其独特的组织结构而具有优异的力学性能，可为金属基复合材料的增强体构型化设计提供重要启示。针对非连续增强钛基复合材料高强低塑的特点，受竹纤维高强韧化结构的启发，本工作制备了具有类竹纤维结构的TiB/Ti复合材料。通过对比类纤维结构与TiB晶须均匀分布增强钛基复合材料的力学性能发现，TiB晶须的类纤维结构对复合材料的力学行为和断裂机制具有重要影响。在相同TiB体积分数下，类纤维结构增强TiB/Ti复合材料的抗拉强度保持在TiB晶须均匀分布复合材料的相当水平，同时断裂延伸率达到19.1%。其较高强度主要归因于类纤维分布TiB晶须的高承载效率以及增强体诱导的细晶强化；与此同时，连续Ti基体区域协同提高了复合材料的应变硬化率，增强了其塑性变形能力，并可在与类纤维结构协同变形过程中有效钝化和偏转裂纹，从而进一步提高复合材料的韧性。
在深海环境中，特别是在海水压力作用下，微观结构演变及其应力耦合失效是铜合金加速破坏的主要原因。本工作选择舰船螺旋桨常用的锰铝青铜(MAB)材料作为研究对象，采用模拟计算与实验相结合的方法，建立了具有Al原子表面偏析的MAB合金原子结构模型和不同海水压力作用下的应变耦合模型，进一步对不同压力下的失效机制进行了研究，并预测了腐蚀速率。采用分子动力学(MD)方法，研究了深海压力下Cl-在合金表面的吸附行为及其对腐蚀的影响。结果表明，随着海水压力从0.1 MPa增加至10.0 MPa，MAB合金的位错密度和应变水平不断增大。当压力超过6.0 MPa时，合金位错密度和应变水平显著升高，(111)晶面的位错密度比初始条件下增加了6.08 × 10-3 nm-2，弹性微应变水平增大了0.79%。铜合金失重速率随压力的增加不断增大。腐蚀产物的形貌由麻点状转变为鳞片状。密度泛函理论(DFT)计算结果表明，海水压力对合金结构稳定性具有显著影响，当海水压力大于临界压力(6.0 MPa)时，Cu原子的空位形成能与迁移-溶解活化能垒明显下降，溶解速率显著加快。压力的增加促进了Cl-的化学吸附，但在10.0 MPa时，饱和吸附的Cl-对溶解速率影响并不显著。
为了实现多尺度疲劳裂纹扩展过程的准确预测，并增强预测模型的可解释性和泛化能力，本工作选用304奥氏体不锈钢为研究对象，首先对K近邻(KNN)、支持向量机回归(SVR)和随机森林(RF)三种算法的疲劳裂纹扩展预测能力进行了对比，筛选出预测性能最优的算法。随后，选择最优算法，分别基于长裂纹、短裂纹和多尺度裂纹三种疲劳裂纹扩展模型添加数据增强策略进行数据增强，以提高疲劳裂纹扩展预测的准确性。最后，基于添加数据增强策略的双驱动模型框架，在不同载荷下进行多尺度疲劳裂纹扩展预测。结果表明，与SVR和KNN算法相比，RF算法更适合于疲劳裂纹扩展预测，其基于多尺度疲劳裂纹扩展模型的数据增强效果明显优于其余两种模型。基于RF算法与数据增强策略的双驱动模型具有很好的泛化能力，且相比于基于RF算法的纯数据驱动模型，双驱动模型预测结果更加准确。
为了明确满足可降解医用植入器械力学性能要求的锌合金的设计准则，本工作通过实验研究与文献搜集获取了Zn-Mg-Mn合金的力学性能数据，采用面向性能的机器学习(ML)模型，预测了Zn-Mg-Mn合金在不同元素种类与含量、不同合金制备工艺下的抗压屈服强度(CYS)与硬度，进而探究了元素种类与含量对材料微观结构与宏观力学性能的影响规律。基于现有数据集通过对比7种不同ML算法，确定了最小近邻(KNN)算法的预测能力最佳。为进一步验证模型预测的准确性，采用随机法选取数据集以外的数据与模型结果进行对比分析。同时，应用SHapley additive explanations (SHAP)方法定量研究了Zn-Mg-Mn合金中两种合金元素、制备工艺与CYS、硬度之间的相关性。结果表明，Mg元素对合金CYS和硬度的影响最大。添加Mg元素后，合金中析出Mg2Zn11和MgZn13，对力学性能产生显著影响。当Zn-Mg-Mn合金成分配比(质量分数)为Mg 2.25%~2.50%、Mn 2.50%~3.50%时，其CYS和硬度达到医用植入物标准。
