外层空间为研究金属材料物理化学性质、相变过程机制及组织和性能调控提供了超常环境条件。特别是对于高温和高活性金属材料的制备、实施原位资源利用和空间制造具有重要科学意义和应用价值。本文综述了自20世纪60年代以来，利用空间实验条件开展金属材料研究的主要工作，总结了中国空间站、国际空间站、和平号空间站的材料科学实验平台及其主要功能，重点分析了熔体流动、液态性质、凝固组织、舱外暴露等方面的研究进展，阐明了空间实验呈现的特殊现象和新规律。最后，对面向空间制造的金属材料的研究和发展趋势进行了展望。

金属晶界的拓扑性质对其力学、电学及化学性能具有关键影响，是晶界工程(GBE)研究的核心内容之一。本文系统综述了金属晶界结构拓扑特性在不同尺度上的研究进展，涵盖从原子尺度的拓扑结构到介观尺度的晶界网络拓扑两个方面。首先，总结了晶界原子结构拓扑研究的现状，包括重位点阵(CSL)模型、位移对称完整(DSC)点阵理论、晶界位错网络的拓扑表征以及拓扑缺陷的分析。随后，介绍了介观尺度晶界网络的表征方法，重点阐述了基于离散胞复形(DCC)的拓扑研究框架，并系统分析了晶界网络的拓扑特性。最后，展望了晶界拓扑研究在材料设计中的潜在应用方向。

TiAl合金具有密度低、抗蠕变和耐腐蚀性能优异等特点，是空天动力领域轻量化发展的重要材料。疲劳是航空发动机叶片第一失效形式，叶片一旦出现长裂纹便会发生瞬时断裂，疲劳小裂纹的萌生和扩展直接决定叶片的使用寿命。本文围绕TiAl合金疲劳小裂纹问题，系统介绍了疲劳小裂纹的定义及特点，归纳总结了TiAl合金疲劳小裂纹的萌生和扩展机理、疲劳小裂纹扩展模型及其适用范围。最后，对TiAl合金疲劳小裂纹萌生、扩展机理表征和统一寿命预测模型进行了展望。

铝基复合材料因其高比强度、高比模量、良好的导热性及可控的热膨胀系数等优点，在航空航天、汽车工业和电子封装等领域展现出广阔的应用前景。然而，传统的单一尺度增强体在提升材料强度的同时，往往导致塑性、韧性显著下降，这一强韧性矛盾制约了其进一步发展。近年来，受自然生物材料多级结构启发的“跨尺度协同增强”策略为解决这一瓶颈提供了新思路。该策略通过将微米尺度和纳米尺度增强体进行协同复合，构建多级结构，旨在同时实现材料高强度、高模量及良好塑韧性的结合。本文系统综述了跨尺度协同增强铝基复合材料的研究进展，阐述了跨尺度协同的设计理念，讨论了主要的材料体系及关键制备技术，剖析了跨尺度协同增强的机理，并对未来研究方向进行了展望，旨在为高性能铝基复合材料的设计和开发提供理论参考。

超高温、极低温和强辐照是航空、航天、核能和深海装备等在服役过程中面临的极端工况。传统单一主元合金因相稳定性不足、低温韧脆转变及缺陷演化失控，性能已逼近极限，成为制约高端装备升级的核心瓶颈。高熵合金凭借多主元耦合的高构型熵、晶格畸变和化学短程有序，在极端条件下具有高热-力学稳定性、优异低温韧塑性和抗辐照损伤能力，被视为最具突破性能边界潜力的合金体系。本文系统梳理了高熵合金作为极端环境结构材料的潜力和挑战，围绕超高温、极低温和强辐照三类典型场景，剖析其性能优势并揭示高熵效应的作用机制。最后，总结关键瓶颈并提出发展路径，为高熵合金从实验室走向工程应用提供参考。

金属凝固作为先进制造的关键基础过程，对工件微观组织和服役性能具有决定性影响。定向凝固是高温合金单晶构件制备的重要技术，但精确控制凝固组织仍面临诸多难点。为系统梳理定向凝固枝晶生长模拟的研究现状和发展趋势，揭示多尺度模拟在预测枝晶形貌、枝晶竞争及缺陷形成中的关键作用，本文以枝晶生长为切入点，系统归纳了凝固成分过冷理论、枝晶生长模型和典型定向凝固工艺，重点综述了有限元、有限差分、元胞自动机和相场法等多尺度模拟方法，并论述了这些方法从宏观物理场模拟到微观枝晶生长建模中的适用性及其代表性成果。最后，本文归纳了定向凝固枝晶生长数值模拟当前面临的挑战，并展望了未来的发展方向。

难加工金属通常具有特殊的物理和力学性能，在高温稳定性、高比刚度和轻量化等方面表现突出，对航空航天、能源动力、海洋工程等高端装备领域具有战略意义。本文系统综述了难加工金属增材制造与热等静压融合成形技术的研究进展和发展趋势。聚焦于Be及铍合金、Ti₂AlNb合金、高Ti/Al含量镍基高温合金以及金属基复合材料四类典型材料，深入剖析了其在传统加工过程中存在的成形难度大、材料利用率低和组织均匀性差等瓶颈问题。重点阐述了增材制造/热等静压融合技术在多尺度模拟仿真、包套结构补偿设计、高精高密薄壁包套增材制造、高刚易溶失陶瓷型芯制备等方面的关键突破，系统比较了该技术在难加工材料构件近净成形、组织均匀性调控和性能优化方面的显著优势。最后，展望了该技术在包套科学设计、增材制造智能工艺控制及陶瓷型芯性能协同优化等方向的未来发展趋势，以期为推动热等静压成形技术的创新和应用提供理论支撑和实践指导，拓展其在难加工金属复杂构件近终成形中的应用范围，为我国航空航天、国防装备等重点领域核心部件的自主制造提供技术助力。

近年来，基于人工智能的材料计算模拟技术快速发展，机器学习的原子间相互作用势函数是其中最为重要的分支之一。机器学习势函数通过机器学习算法对第一性原理计算数据进行高精度拟合，将其转化为连续可微的数学表达，使其在保持量子力学计算精度的同时显著降低计算成本，有效解决了第一性原理方法难以处理大体系和长时间模拟的瓶颈问题。凭借这一独特优势，机器学习势函数已成为衔接微观原子模拟与宏观材料性能预测的关键桥梁，为材料计算领域带来了革命性机遇。本文聚焦于兼顾精度和效率的矩张量势(MTP)模型，从理论框架、算法优化和应用实践三个层面进行系统评述：深入解析了MTP的数学基础和架构设计原理；详细讨论了其精度提升策略和计算加速技术；通过典型材料体系的模拟案例验证了模型的优越性能，并对其发展趋势进行了展望。

多尺度塑性力学研究旨在揭示材料塑性变形过程中的力学响应规律，建立微观结构、变形机制与宏观性能之间的物理联系，在材料设计与性能优化中具有重要意义。金属材料的塑性行为往往伴随位错、界面、相变等多种微观结构和变形机制的协同演化，构成高度复杂的时空耦合系统，传统建模方法在构型复杂性、尺度衔接及机理表征等方面面临诸多挑战。近年来，机器学习与多尺度数值模拟和本构模型构建的融合为多尺度塑性力学研究开辟了新路径。本文综述了基于机器学习的多尺度塑性力学研究进展，主要包括塑性变形行为的多尺度模拟和本构模型构建两方面，涵盖基于机器学习的分子动力学势函数构建与模拟、离散位错动力学模拟、晶体塑性有限元及本构模型构建等典型进展。最后，对未来机器学习赋能的多尺度塑性力学研究的发展方向进行了展望。

腐蚀疲劳是金属材料在交变载荷与腐蚀环境协同作用下的一种典型失效形式，广泛存在于核电、海洋工程、航空航天、能源装备等关键领域，直接影响工程构件的服役安全和寿命评估。随着先进能源系统在深空、深海、深地等极端环境探索的推进，材料所面临的环境-力学耦合损伤日趋严苛。其中高温高压水、液态Pb-Bi和海洋环境为典型的腐蚀环境，理解并预测金属材料在上述环境中的腐蚀疲劳行为具有重要意义。本文综述了金属材料在上述三类典型腐蚀环境中的腐蚀疲劳实验技术、损伤机理和预测模型等的研究进展。在实验技术方面，重点介绍了模拟服役环境疲劳测试装置及样品应变/位移、裂纹长度原位监测方法的发展现状；在损伤机理方面，阐述了腐蚀坑应力集中、保护膜破裂和滑移溶解、表面渗氢和氢致损伤、表面能降低等多种机制的竞争和协同作用；在预测模型方面，梳理了从传统经验模型(Basquin和Coffin-Manson模型)到数据驱动的机器学习方法的发展脉络，并指出了当前模型在工程适用性和机理融合方面的不足。本文还讨论了该领域目前存在的主要挑战，如极端新环境实验技术的缺失、多机制耦合损伤理论的不足以及小样本条件下高精度寿命预测模型的缺乏等，并对未来研究方向进行了展望，包括发展跨尺度原位表征技术、融合物理机理与机器学习方法以及推动耐腐蚀疲劳新材料的设计和评价体系建设等。

异种材料连接技术在实现复杂结构轻量化与功能集成方面发挥着不可或缺的作用，在航空航天、装备制造及交通运输等领域应用广泛。异种材料间热膨胀系数、熔点及冶金相容性等性能差异显著，接头中易出现界面冶金结合不良、脆性化合物多及残余应力大等问题。本文介绍了钎焊、扩散焊、搅拌摩擦焊、高能束焊接和增材制造等常用异种材料连接技术及其在复杂结构制造中的应用，论述了异种材料连接过程中界面结合、强化机制及结构可靠性等科学问题，并对未来发展趋势进行了展望。

连铸是当前钢铁制造流程的关键工序，连铸坯的凝固偏析是影响钢产品成材率、性能和服役寿命的重要因素。国家战略驱动对钢铁材料提出了更高要求，合金元素种类的增加和连铸坯断面的不断扩大，致使连铸凝固过程中的宏观-介观偏析问题愈加突出。本文阐述了连铸坯横截面和纵截面的偏析分布特征，阐明了皮下偏析、白亮带、柱状晶向等轴晶转变(CET)区偏析、V形偏析和中心偏析的形成机理，以及熔体流动产生的方式及与凝固组织共同引发偏析的机制，明晰了不同类型偏析的主要影响因素，介绍了电磁搅拌、机械压下的技术原理及发展现状，强调了凝固组织细化对均质化控制的重要意义。最后，展望了高合金钢超大断面连铸坯高均质化控制理论和技术的研究要点，为大型构件母材的高品质连铸生产提供参考。

镍基单晶高温合金是航空发动机和燃气轮机涡轮叶片的核心材料，其在高温、复杂应力及环境耦合作用下的变形损伤行为，直接影响叶片服役安全与寿命。本文系统综述了近年来单晶高温合金在蠕变、疲劳及热机械疲劳等方面的研究进展，重点分析了在多场耦合条件下微观组织的演化规律和损伤机制。在蠕变方面，总结了薄壁效应、热腐蚀及多轴应力对性能的影响，揭示了超高温、长时服役和非等温蠕变中的新现象与新机制；在疲劳方面，阐明了从低周、高周到超高周疲劳条件下裂纹萌生机制的转变规律，探讨了热-力-环境耦合与多轴应力的协同作用，并强调了表面状态和结构特征在构件疲劳中的关键影响；在热机械疲劳方面，探讨了相位关系、晶体取向、合金元素及涂层/基体交互作用对损伤行为的影响。最后评述了原位表征技术在揭示变形损伤机理中的应用和进展，并展望了本领域的未来研究方向。

镁合金具有低密度、高比强度、生物相容性好等特点，被广泛应用于航空航天、交通运输和生物医疗等领域。阐明制备过程和服役过程中材料微观结构的动态演变规律，是材料成分设计与加工工艺优化，以及服役性能提升的重要基础。同步辐射光源可产生高通量、高分辨率及高相干性的X射线光束，能够实现合金在制备加工全流程及模拟服役环境中微观结构演化的原位动态表征。本文简要介绍了国内外基于同步辐射光源的原位样品环境装置建设现状，系统总结了近年来利用同步辐射先进表征技术研究镁合金微观组织演化机制的相关工作，内容涵盖凝固、变形与损伤、腐蚀与防护等。最后对同步辐射技术在镁合金研究领域的未来发展方向进行了展望。

Mo是人体所必需的微量元素之一，金属纯Mo因其优异的力学性能、均匀的降解行为和良好的生物相容性，成为心脑血管支架、心脏起搏器、肠胃吻合钉和可穿戴生物电子器械等多种植/介入医疗器械潜在的候选材料。钼基金属材料已有一些合金体系和复合材料应用于航空航天、电子和化工等领域，但作为可降解金属用于医疗领域的研究尚处于起步阶段，诸多关键科学问题尚未厘清。本文聚焦纯Mo及钼基金属材料的材料本性，借鉴其在工程领域的制造路径和性能优势，梳理其在生理环境中的腐蚀行为和降解产物的潜在生物学效应，基于材料生物降解性和生物相容性的双重筛选原则，并结合可降解金属器械的服役需求，提出新型钼基可降解金属材料的合金成分设计、微观组织、塑性变形、增材制造和生物医学性能提升策略，展望其未来可能在生物医学领域的应用前景及发展方向。

铝基复合材料具有优异的比强度、比模量及良好的导热、导电性能，在航空航天、交通运输等领域展现出广阔的应用前景。原位反应技术能够在Al基体内部生成热力学稳定、界面洁净且结合良好的增强相，显著提升复合材料的综合性能，已成为制备高性能铝基复合材料的重要途径。为深入理解原位反应粉末冶金铝基复合材料的设计原理、界面优化及性能调控，从而促进新一代高性能铝基复合材料的开发，本文阐述了基于原位反应体系采用粉末冶金法制备铝基复合材料的反应机制、增强相的类型及其特性，揭示了原位增强相和Al基体的界面微观结构特征、界面取向关系对界面性能的影响，以及通过界面修饰策略优化界面结合状态的研究进展。同时，本文总结了原位反应复合材料中界面结构对力学行为的影响，并展望了该领域的未来发展方向。

高压铸造凭借高速充型与快速凝固的特点，已成为新能源汽车大型一体化铝合金结构件的关键成形技术。然而，在大型薄壁铸件中，熔体流动行为与组织缺陷演化之间存在复杂的耦合关系，其机理仍缺乏系统认识。本文系统综述了高压铸造铝合金流动性的研究进展，并从工艺参数、微观组织和解析模型三个方面构建统一的分析框架。首先，总结了压铸条件下流动性的影响因素，指出工艺参数和合金设计共同通过调控传热与凝固过程来改变流动性。其次，阐明了压铸件典型层状组织(皮肤层、缺陷带和外部凝固晶体)的形成机制，并指出了流动过程中枝晶网络连通、溶质富集及孔洞演化对流动终止的关键作用。最后，分析了各种流动解析模型在物理假设与预测能力方面的差异。综上，压铸流动性的本质是热-相-流三场耦合作用的结果。并指出未来需在停止流动机理、同步辐射原位表征及数据驱动方面作进一步深入研究。

热成形钢以其高强度、优良的成形性能和能够制造出复杂几何形状零部件等优点，成为实现新能源汽车高安全性和轻量化的关键结构材料之一，广泛应用于汽车安全部件的制造。随着汽车工业对轻量化需求的不断增加，热成形钢正朝着更高强度、塑性和断裂韧性的方向发展。然而，在技术进步的同时，热成形钢在低弯曲韧性和氢脆方面面临的挑战也日益严峻。本文从三个方面总结了热成形钢断裂韧性和氢脆行为的最新研究进展：首先，介绍了热冲压工艺及具有高强韧性的最新热成形材料；其次，总结了当前商用热成形钢关于弯曲韧性的研究，结合材料表面镀层结构和弯曲角评价标准，探讨了镀层钢的结构局限性，并展望了提升镀层热成形钢弯曲性能的未来发展方向；最后，总结了热成形钢氢脆行为的研究进展。从氢脆的产生机理出发，分析并总结了材料内部微观结构和表面镀层等因素对热成形钢抗氢脆性能的影响，并对未来高强度热成形钢抗氢脆设计的研究方向进行展望。

应变路径是决定塑性成形金属构件形状、组织和性能等成形质量的重要因素。为提升成形质量，通常需要设计非线性的复杂应变路径。复杂应变路径必然引起更复杂的多尺度变形行为，因此，其机制分析和表征成为塑性成形领域研究的前沿和热点。本文系统探讨了复杂应变路径下的宏观力学响应、损伤行为以及显微组织和织构演化规律，总结了路径历史在多尺度变形机制中的作用特征。梳理了基于应变路径效应的材料成形有限元建模思路和方法，包括材料本构模型、极限预测与损伤模型和微观组织演化模型，阐述了其在提升变形预测精度和工艺模拟效果方面的价值。分析了工程应用中面向成形性和服役性能优化的路径设计策略，突出了其在形性调控方面的潜力。最后，对金属塑性成形的应变路径效应未来的研究方向进行了展望。