为了探究低活化9Cr氧化物弥散(9Cr-ODS)钢在设计服役环境下的氧化行为及机理，通过模拟聚变堆高温高压循环水腐蚀实验，研究了其在聚变堆设计冷却水中的腐蚀行为，并与中国低活化马氏体(CLAM)钢进行对比，阐释了腐蚀过程中表面及截面微观结构的演化和氧化产物的形成与转变过程。结果表明，在325 ℃、15.5 MPa的静态高温高压水和动态高温高压水(温度25 ℃、压力15.5 MPa、流速5 mL/min)中，9Cr-ODS钢的腐蚀增重和氧化膜厚度均比CLAM钢低。在静态水中腐蚀时，2种材料的腐蚀产物均为外层为颗粒状的Fe₃O₄、内层为连续的富Cr、Fe 的尖晶石的双层结构；随腐蚀时间从200 h增加至1000 h，氧化物颗粒尺寸和氧化膜厚度逐渐增加；然而在动态水中，2种钢的腐蚀增重及氧化膜厚度反而降低，其中CLAM钢外层氧化物的种类保持不变，但9Cr-ODS钢中除Fe₃O₄外还有少量Fe₂O₃生成。在相同腐蚀条件下，弥散的纳米氧化物、细化的晶粒以及较高的基体O含量对ODS钢耐腐蚀性能产生了积极作用，促进了保护性氧化膜内层的形成，同时也降低了腐蚀增重速率，使得9Cr-ODS钢具有比CLAM钢更优异的耐腐蚀性能。

结构材料与液态Pb-Bi熔液的相容性是铅冷快堆发展应用亟待解决的关键问题，氧化物弥散强化(ODS) FeCrAl合金是极具发展潜力的结构材料之一，但是对于高强度的含Zr ODS FeCrAl合金在液态Pb-Bi熔液中的研究较少。本工作利用SEM、XRD、EPMA等分析技术研究了粉末冶金法制备的含Zr ODS FeCrAl合金经550 ℃饱和氧液态Pb-Bi共晶合金浸泡10000 h后的腐蚀产物，研究了Zr、Ti、Al和O等元素含量对ODS FeCrAl合金耐Pb-Bi腐蚀性能的影响。结果表明，由于Zr元素在氧化初期抑制Al与O元素结合、阻碍Al元素向外扩散，使得含Zr ODS FeCrAl合金表面无法生成连续、保护性的Al₂O₃薄膜，腐蚀产物主要由薄的Al₂O₃膜和疖状的Fe的多层氧化物组成。疖状氧化物的分布和形貌受含Zr ODS FeCrAl合金中Ti、Al和O含量的影响。增加含Zr ODS FeCrAl合金中的O含量，会使Y-Zr-O纳米强化相高密度析出，基体中对Al₂O₃薄膜有不利影响的Zr含量降低，进而使疖状氧化物的数量、厚度及表面横向尺寸降低。在ODS FeCrAl合金中添加Ti元素，其对合金腐蚀行为的影响类似于Zr元素，可促进合金表面疖状氧化物数量增加。(4.0%~5.5%)Al的添加不能阻止含Zr ODS FeCrAl合金表面上生成Fe的氧化产物。

为了研究CaO-MgO-Al₂O₃精炼渣对钢中Al₂O₃夹杂物的改性作用，本工作建立了精炼渣-钢液-夹杂物-耐火材料耦合动力学模型，研究了钢中Al含量以及渣中CaO / Al₂O₃比值对渣-钢反应中夹杂物改性的影响。结果表明，进入钢液与夹杂物中的Ca含量与钢中Al含量以及渣中CaO / Al₂O₃比值呈正相关；随着钢中Al含量从0.01%增加至0.75%，钢液中Ca含量从0.07 × 10^-6增加至1.47 × 10^-6，夹杂物中CaO含量从0.44%增加至7.89%；随着渣中CaO / Al₂O₃比值从1.0增加至2.2，钢液中Ca含量从0.15 × 10^-6增加至0.50 × 10^-6，夹杂物中CaO含量从0.88%增加至2.95%；当钢中Al含量为0.8%且CaO / Al₂O₃比值为2.2时，钢液中总钙量为2.52 × 10^-6，夹杂物中CaO含量可达到10.96%。CaO-MgO-Al₂O₃精炼渣可以将钢中Al₂O₃夹杂物改性为CaO-Al₂O₃系夹杂物，其改性程度主要与钢中Al含量有关。

提高淬透性以使板厚方向组织性能均匀化是海洋工程用高品级特厚钢板生产的技术关键和难点。本工作通过热膨胀和Jominy末端淬火实验，并结合铝固氮处理，研究了V分布状态对一种新型980 MPa级海工特厚板用钢在850和910 ℃奥氏体化后的淬透性及显微组织的影响规律。采用EPMA、SEM和TEM等手段表征了钢的显微组织和V原子的分布特性。结果表明，910 ℃奥氏体化过程中AlN的产生能够促进V原子在原奥氏体晶界上的偏聚，提高过冷奥氏体的稳定性并延缓先共析铁素体的转变，从而有效提高海工钢特厚板的淬透性，使其在更宽的冷速范围(对应于更厚的钢板截面)内组织与性能均匀性更好、强韧性匹配度更高。

2 GPa级超高强度钢已成为扭力轴的候选材料之一。然而，关于其显微组织与力学性能之间关系的研究相对较少。本工作采用SEM、EBSD、AES、TEM、单轴拉伸和静态扭转等方法研究了奥氏体化温度对扭力轴用2 GPa超高强钢的显微组织、拉伸力学性能和静态扭转性能的影响。结果表明，在奥氏体化过程中，初始组织(珠光体和少量铁素体组成)中片层状合金渗碳体先球化后溶解，其球化机制主要以非连续辅助机制为主，包含少量的边缘迁移机制。随着奥氏体化温度的升高，渗碳体逐渐由(Fe, Cr, V)₃C合金渗碳体转变为Fe₃C渗碳体，直至渗碳体完全溶解(奥氏体化温度为950 ℃时)，并且VC的析出温度区间与渗碳体未溶解的温度区间相一致。奥氏体化温度为850 ℃时实验用钢获得了较优的拉伸力学性能，屈服强度、抗拉强度、均匀延伸率和总延伸率分别为1580 MPa、2062 MPa、8.4%和12.7%，这源于显微组织中渗碳体和VC提供的析出强化，以及细小的马氏体板条提供的细晶强化。静态扭转实验结果表明，当奥氏体化温度为800和850 ℃时，由于含有更多渗碳体和VC以及细小的马氏体板条，试样表现出更高的剪切模量和扭转屈服强度。随奥氏体化温度升高，剪切塑性变形区增加，断裂主导机制由剪切断裂转变为剪切韧性断裂，从而表现出更高的抗扭强度。

探究粉末冶金和传统铸锻工艺所制备的高温合金组织性能的异同性，可为难变形涡轮盘的实际生产和服役安全提供理论参考。本工作利用SEM、TEM、EBSD表征以及Vickers硬度和高温拉伸实验等方法研究了粉末合金(FGH4720Li合金)和变形合金(GH4720Li合金)微观组织特征和力学性能的异同点，并详细分析了异同点之间的关联性。结果表明，FGH4720Li合金和GH4720Li合金的位错和孪晶亚结构形态分布、晶粒取向及孪晶界分布均相似。不同之处在于：GH4720Li合金中的γ{}_{\mathrm{I}}^{\text{'}}相尺寸(1.92~2.41 μm)大于FGH4720Li合金中的γ{}_{\mathrm{I}}^{\text{'}}相尺寸(1.41~1.51 μm)，FGH4720Li合金中的γ{}_{\mathrm{I}\mathrm{I}}^{\text{'}}相尺寸(66.24~73.15 nm)略高于GH4720Li合金中γ{}_{\mathrm{I}\mathrm{I}}^{\text{'}}相的尺寸(64.74~72.29 nm)，且FGH4720Li合金中存在花瓣状γ{}_{\mathrm{I}\mathrm{I}}^{\text{'}}相。GH4720Li合金内尺寸在12~24 µm之间的晶粒占比略高于FGH4720Li合金，且GH4720Li合金组织中含有少量粗晶(32~36 µm)。总体而言，GH4720Li合金晶粒度级别(10~10.5)略低于FGH4720Li合金(11~12)。2种合金中的大角度晶界占比均超过83%，但FGH4720Li合金中的小角度晶界数量略高于GH4720Li合金，晶内取向差更明显。平均晶粒尺寸更小的FGH4720Li合金相对GH4720Li合金具备更高的硬度、屈服强度和抗拉强度。

GH3230合金焊接薄板用于制造先进航空发动机的热端部件，焊接接头组织稳定性与发动机的安全性及可靠性紧密相关。为阐明不同服役条件下焊接接头显微组织的变化规律，本工作研究了GH3230合金薄板填丝钨极氩弧焊接头经不同高温(700~1000 ℃)长期热暴露处理后的显微组织以及碳化物的演变。结果表明，不同温度热暴露2000 h后，焊缝区树枝晶形貌消失，枝晶偏析程度显著降低，热影响区晶粒尺寸不均匀，晶粒内及晶界碳化物析出明显增多。不同温度长期热暴露后焊接接头中的2类碳化物(Cr, W)₂₃C₆和(W, Cr)₆C中合金元素的固溶度和含量发生变化，M₂₃C₆型碳化物粗化速率明显增大。GH3230合金氩弧焊接薄板在长期热暴露中，焊接接头内发生了碳化物类型、数量、尺寸、形貌和位置分布变化及碳化物间的退化反应。

三维织物增强铝基复合材料具有高比强度、高比模量以及优良的耐高温和抗冲击性能，是制造航空航天耐热结构的理想材料，目前尚缺乏其高温环境下力学特性与失效机制的系统性研究。本工作研究了高温(400 ℃)环境下斜纹碳布缝合织物结构增强铝基复合材料的准静态拉伸力学行为与失效机理，并根据其织物结构和纱线微观组织特征建立了基于微观和细观尺度代表性单胞的细观力学有限元模型；采用数值模拟与实验结合的方法分析了复合材料在高温拉伸过程中的宏观力学响应、组元结构损伤演化与渐进失效行为。结果表明，复合材料的高温拉伸模量、强度与断裂应变的实验均值分别为103.20 GPa、621.60 MPa和0.819%，数值模拟得到拉伸应力-应变曲线与复合材料高温拉伸实验曲线总体上吻合较好。高温环境下复合材料内部存在复杂的热应力，基体合金和纱线分别处于压应力和拉应力状态。在拉伸初期阶段，复合材料中缝合纱失效、经/纬纱搭接处基体损伤和经纱局部失效，但表现出了线弹性力学响应。随着拉伸载荷增大，基体的损伤程度加重且沿织物斜纹方向出现严重的基体损伤区和纬纱开裂区，导致随应变增加拉伸应力的增长速率减缓。拉伸变形后期产生显著且互相重叠的基体和纱线失效带，经纱的轴向断裂使得复合材料失去承载能力并且拉伸应力急剧下降。高温拉伸断口中缝合纱和纬纱的断口较为平整，而经纱的断裂拔出长度不一，且呈现大量纤维断裂拔出并伴随基体合金撕裂的微观形貌特征。

为改善钼基涂层作为热端部件高温防护涂层的耐磨损性能，采用激光熔覆技术在Inconel 718合金表面原位制备了MoNiCrSi涂层，并系统研究了Si对钼合金涂层的微观组织和高温摩擦学性能的影响。在室温至1000 ℃的大气环境中，采用Si₃N₄作为摩擦对偶及球-盘式高温摩擦磨损试验机对涂层及基底材料的高温摩擦学性能进行测试。结果表明，Si与Mo、Ni、Cr发生反应生成了α-Mo、Mo_0.3Ni_0.24Si_0.76、Mo₅Si₃和CrSi₂相。MoNiCrSi涂层的Vickers硬度相比MoNiCr涂层和基底材料显著升高，Si元素表现出明显的固溶强化和弥散强化作用。随温度的升高，涂层的摩擦系数逐渐减小，磨损率呈现出先降低后增加的趋势。MoNiCrSi涂层相比MoNiCr涂层和基底材料表现出更优异的高温耐磨损性能，Si明显改善了涂层的高温耐磨自润滑性能。这主要归因于涂层高的硬度和SiO₂、MoO₃、Mo₄O₁₁、NiMoO₄等固体润滑相以及高温润滑层的协同作用。特别是在600 ℃下，MoNiCrSi合金涂层的磨损率降低至5.57 × 10^-6 mm³/(N·m)，比MoNiCr涂层低了1个数量级。在不同温度下，钼合金涂层表现出了不同的磨损机理。

CrAlN涂层因具有硬度高、热稳定性和抗氧化性能良好等特点，在模具防护方向备受关注。然而，在铝合金压铸和热冲压模具严苛工况下，涂层的摩擦系数高、抗冲击韧性差，从而严重限制了其应用。本工作基于多元合金设计与高通量制备思路，采用受控阴极真空电弧复合技术在H13钢材基底表面制备了CrAlMoN涂层，研究了Mo含量对涂层的微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响。利用XRD、SEM、EDS和SEM表征了涂层的相结构、表/截面形貌及元素分布，利用划痕仪和纳米压痕仪分析了涂层的硬度、膜基结合力和韧性等力学性能，利用摩擦试验机研究了涂层在大气环境下的摩擦学性能。结果表明，当Mo的原子分数从0.72%增加到19.47%时，掺杂Mo主要以固溶形式存在于(Cr, Al)N晶体结构中且伴有少量Mo₂N相生成。其中，当Mo含量为2.55%时，涂层的硬度和弹性模量最高，分别为(38.7 ± 1.3)和(580.9 ± 11.1) GPa，且涂层抗裂纹产生及扩展能力强，呈现高强韧特征。由于Mo掺杂利于生成Magnéli相氧化物MoO₃，涂层耐摩擦性能优异，摩擦系数和磨损率分别在0.32~0.51和(5.90~10.88) × 10^-7 mm³/(N·m)之间。当Mo含量达到19.47%时，涂层的摩擦系数最低(0.31)，磨损率为5.90 × 10^-7 mm³/(N·m)。微结构分析表明，涂层磨损失效主要源于磨粒磨损、氧化磨损与局域点状剥落。

为了提高大型锻件的综合力学性能，必须有效预测和控制锻件整体的微观组织。对于常见的动态再结晶(DRX)经验模型，由于其不考虑形核规律和储存能差驱动的晶界迁移，因此无法预测和跟踪动态再结晶过程中的形核和微观组织形貌。针对这一问题，本工作基于水平集法和位错模型的耦合，实现了对晶粒组织形貌演化的有效模拟，对于大锻件晶粒组织均匀性控制具有重要意义。在温度950~1150 ℃和应变速率0.001~1 s^-1范围内求解了基于水平集法的GH4706合金的DRX模型参数。对于无法拟合获得的参数，使用Pareto多目标优化方法，通过使实验与模拟结果偏差值达到最小从而进行逆向识别。模拟了GH4706合金在0.4~0.7应变下的动态再结晶过程，并进行实验验证。实验与模拟结果的比较表明，DRX晶粒体积分数和平均晶粒尺寸的平均偏差均在10%以下，验证了所构建模型和识别方法的有效性。

孔隙和织构均为增材制造(AM)多晶体金属的重要特征，但已有的细观力学模型无法研究2者的耦合作用对材料力学性能的影响机理。因此，本工作构建了双相金属材料的改进Mori-Tanaka (modified Mori-Tanaka，MMT)模型，在此基础上预测AM Ti-6Al-4V合金的等效弹性张量，进而探究AM 多晶体材料的微观结构对材料宏观力学性能的影响规律。本模型结合了传统MT模型和微分法，可综合分析各向异性多晶体织构和孔隙2个耦合因素与宏观力学性能的内在联系。通过有损和无损实验，研究了2种孔隙率和织构的AM Ti-6Al-4V试块的相变行为、晶粒取向分布函数、孔隙率和孔隙形貌特征。为验证理论预测的准确性，采用稀疏法与所建立模型进行对比分析；同时进行拉伸实验和超声实验，基于MMT模型得到的Young's模量与拉伸实验结果的平均绝对百分比误差(MAPE)分别为0.87%和2.51%，基于MMT模型得到的等效弹性刚度张量({\mathit{C}}^{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}})与超声实验结果的MAPE分别为9.47%和4.45%。可见，实验结果从力学和无损检测2个角度验证了MMT模型的有效性，为研究AM 多晶体材料的微观结构对宏观力学性能的作用机理提供了一种有效的细观力学分析方法。