金属材料强度-塑性、强度-电导率之间普遍存在相互制约关系。本文基于提出的独立位错空间模型，阐明了金属材料强度-塑性制约关系的本质，并受独立位错空间尺寸所控制，揭示了金属类型、合金成分、变形温度和应变速率是调控独立位错空间尺寸的关键因素，而微观组织或晶粒尺寸分布对其影响有限。这一发现解释了在固定金属类型、合金成分及变形参数条件下，仅通过优化微观组织或晶粒尺寸难以实现强度与塑性同步提升的根本原因。基于单相合金中位错塞积的晶粒尺寸依赖性，建立了拉伸强度-均匀延伸率权衡模型，并在多种金属材料体系中得到实验验证。针对金属导线，通过分析晶界、取向和纳米析出相对位错塞积和电子散射的差异化作用，提出了金属导线高强-高导三原则：细长晶粒、硬取向织构和纳米相调控。基于上述原则，构建了强度-电导率定量关系模型，阐释了金属导线强度与电导率呈现协同提升、相互制约等典型现象的内在机制。最终，依据高强-高导三原则设计制备出突破现有强度-电导率制约关系的高性能导线。建立的金属材料强度-塑性、强度-电导率定量关系模型，可以高效指导金属材料选材、成分设计及微观组织工艺控制，保证构件服役安全性。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)双极板材料耐腐蚀与导电性能的协同优化是实现氢能高效利用的核心挑战。本文系统评述了铝合金、钛合金、奥氏体不锈钢及铁素体不锈钢等金属双极板的性能瓶颈和改性策略：铝合金和钛合金需依赖贵金属涂层(如Au/Ni-P、CrN)以平衡耐腐蚀性能与导电性能，这导致工艺复杂、成本高昂；奥氏体不锈钢通过Cr/Mo协同优化可提升耐腐蚀性能，但其钝化膜增厚导致界面接触电阻超标；铁素体不锈钢虽然抗晶间腐蚀和点蚀能力提高，但延展性较差难以加工成型，且无涂层时其腐蚀电流密度较高。表面涂层(如CrN、导电高分子)技术虽能显著改善不锈钢双极板的耐腐蚀和导电性能，但工艺复杂且耐久性不足。本文回顾了上述各类型双极板材料的优缺点，探讨了通过高Cr铁素体不锈钢的全新合金化策略，使得在改善其成型性的同时还能在无涂层状态下同步改善耐腐蚀和导电性能。最后，对PEMFC双极板材料未来的发展方向进行了展望。

近α和α + β两相钛合金是航空、航天关键工程领域的核心材料。提高钛合金锻件性能，特别是大型锻件的性能稳定性一直是工程领域的研究热点。钛合金锻件中普遍存在微织构，严重降低了锻件的疲劳等关键性能，是制约钛合金锻件综合性能的关键因素之一。通过优化热加工工艺提高材料晶体取向分布均匀性是进一步改善合金性能的可行手段。本文综述了钛合金锻件微织构产生原因以及潜在的负面影响，并讨论了其控制措施。最后，针对改善钛合金锻件组织均匀性进行了展望。

铜基复合材料具有高强度、高导电、高导热、耐高温、耐磨、耐电弧烧蚀等优良性能，有望成为未来苛刻服役环境下的关键基础导电材料之一。本文对导电型铜基复合材料的典型材料体系、主要制备技术以及组织性能等进行了归纳和总结，分析了原位制备方法的基本原理和特点，阐述了多种类型高强高导铜基复合材料组织特征与综合性能的关系规律，并展望了未来研究所面临的问题及挑战。

雀斑严重损害了高温合金叶片的晶体完整性和力学性能，给重型燃气轮机定向凝固大尺寸叶片的制备带来巨大挑战。本文回顾了国内外近几十年雀斑研究进展，包括通过原子探针、同步辐射、数值模拟等手段研究雀斑形成过程中的元素偏析、热溶质对流及枝晶碎臂行为，描述了基于温度场或糊状区密度的雀斑形成判据，阐释了叶片结构、工艺条件等对雀斑分布的影响规律，综述了雀斑缺陷的控制技术和方法。目前，关于雀斑的报道普遍聚焦于“小尺寸、拉速≤ 1.5 mm/min、高W/Re含量合金”的情形，这与工程实际中重型燃机“大叶片、拉速≥ 2.0 mm/min、低W/Re含量合金”时雀斑的凝固条件及发生状况存在较为显著的差异。因此，深入研发适用于重型燃机大尺寸叶片中雀斑的快速预测方法和有效控制技术，成为当前及未来的重要需求和研究方向。

为了研究O累积程度对晶界损伤的影响规律及其表征方法，本工作设计了一系列不同参数的时效实验以导入不同O累积程度变量。对时效后的GH4738镍基高温合金试样进行室温疲劳裂纹扩展实验，通过疲劳断口由穿晶模式完全转变为沿晶模式所对应的应力强度因子范围(ΔK)，对合金O累积导致的晶界损伤进行评估，通过分子动力学理论计算并验证实验得到的沿晶断裂模式转折点的变化规律。实验研究和理论计算结果表明，随着O累积程度增加，疲劳裂纹扩展速率增加，疲劳寿命降低，疲劳断口的完全沿晶模式转折点更靠近起裂端。O元素引起晶界分离功降低，随着O原子浓度升高，晶界弱化现象更为显著。此外，温度越高，晶界分离功下降速率越快。

为研究690合金电渣锭的高温变形特性，提高其锻造质量，采用Gleeble热模拟试验机与立式拉伸试验机对具有柱状晶凝固组织特征的690合金电渣锭(质量为3 t)圆柱螺纹试样进行了900~1250 ℃的高温拉伸实验。结果表明，合金在900~1050 ℃热变形时，晶界处未溶的M₂₃C₆碳化物在阻碍裂纹沿晶界扩展的同时促进动态再结晶；1150~1200 ℃时，由于温度升高使得动态再结晶速率大幅提高，这2个温度区间的再结晶晶粒增多，使沿晶裂纹被相互隔离，有效阻碍了裂纹的贯通和扩展，使合金保持较高塑性和热变形能力。1100和1250 ℃变形时，690合金柱状晶凝固组织试样塑性较差，在1100 ℃条件下，晶界处M₂₃C₆碳化物大量溶解，其对裂纹的阻碍作用和对动态再结晶的促进作用消失，柱状晶组织变形协调性差，晶界易产生局部严重塑性变形，使孔洞大量萌生并迅速沿晶扩展，显著降低了试样的高温塑性；1250 ℃时由于变形温度过高，再结晶晶粒明显粗化，晶界趋于平直化，对裂纹扩展的抑制作用减弱，合金塑性再次降低。

为了解决第四代镍基单晶高温合金W、Mo含量较高导致高温抗氧化性能下降的问题，本工作深入研究了一种稀土元素复合添加的新型第四代单晶高温合金在1100 ℃下的氧化行为和γ'相退化规律。结果表明，氧化前3 h时，样品表面迅速形成NiO层和不连续针状Al₂O₃层，并在NiO层下方形成一层稀土氧化膜。稀土氧化膜抑制O元素向内扩散与难熔金属元素反应形成尖晶石氧化物，降低尖晶石氧化物层的增厚速率，这有利于第二阶段(3~25 h)不连续针状Al₂O₃层向部分连续Al₂O₃层转变，减缓第三阶段(25~60 h)氧化增重下降阶段的发生。氧化100 h后，合金表面形成连续Al₂O₃层和NiAl₂O₄尖晶石层，有效阻止合金元素向外扩散和O元素向内扩散。此外，无γ'区厚度随着氧化时间的延长逐渐变大，但在无γ'区和合金内部并未发现拓扑密堆(TCP)相，说明合金在高温下具有良好的微观结构稳定性。

添加稀土元素能有效改善镍基高温合金的多项性能，但其在熔炼过程中易烧损，导致收得率难以精确控制。本工作以添加稀土Sc元素的镍基变形高温合金BYG36为研究对象，从真空感应熔炼系统中可能存在烧损或挥发产物的6个位置取样，分析Sc元素的烧损位置和存在形式，明确Sc元素的烧损机制。结果表明，Sc主要残留在坩埚壁内侧残渣、坩埚上缘和流钢口残渣中，在观察镜、炉膛和冒口砖内表面均未检测到Sc元素存在。原子尺度分析结果表明，坩埚壁内侧残渣中的富Sc相为立方结构的Al_1.3Sc_0.7O₃而非正交结构的ScAlO₃，其很可能源于熔炼过程中Sc与坩埚内壁耐火材料中的Al₂O₃反应生成；坩埚上缘和流钢口残渣中的富Sc相为立方结构的Sc₂O₃，其可能源于熔炼过程中Sc元素与合金熔体中的O元素反应生成，在浇注过程中熔体流过坩埚上缘和流钢口时，由于靠近耐火材料处流速减慢，夹杂物沉淀挂壁在耐火材料表面。

为了研究熔融Mg-Zn-Al合金与镁基母材钎焊过程中的界面扩散行为及超声辅助下振动参数对钎焊效果的影响规律，本工作构建了Mg/Mg-Zn-Al界面原子模型，采用分子动力学方法在纳米尺度模拟计算了温度和超声参数对Mg/Mg-Zn-Al界面扩散行为的影响，讨论了超声辅助对界面力学性能的影响，并对超声辅助Mg/Mg-Zn-Al钎焊界面的温度和应变率响应进行了分析。结果表明，超声辅助的引入使体系扩散系数增大5~10倍，结合层厚度增大2.5~7.6倍，所需钎焊温度也大幅降低。相较于超声振幅，增大超声频率会加快界面趋衡速率，从而得到厚度更大、分布更均匀的界面结合层。在力学性能方面，在振幅0.2 nm、频率1000 GHz条件下，超声辅助钎焊界面拉伸强度较高温钎焊界面提高11.5%。多种加载条件下界面的力学行为对比模拟结果表明，相较于应变率，钎焊界面力学性能对温度更为敏感。在高温条件下，最大拉伸应力的应变率敏感度更高。

针对自然时效使Al-Zn-Mg-Cu合金峰值时效强度出现矛盾响应的现象，本工作以新型超高强铝合金Al-9.8Zn-2.23Mg-1.38Cu-0.11Cr-0.1Zr (质量分数，%)为研究对象，通过高角度环形暗场扫描透射电子显微技术和三维原子探针断层扫描技术，系统探究了自然时效时间对峰时效状态下析出相演化、溶质元素分布及力学性能的调控规律。结果表明，自然时效会加速后续人工峰值时效的响应速度。自然时效处理0、1、7和30 d后，经人工时效获得的峰值强度分别为(708 ± 4)、(685 ± 3)、(712 ± 1)和(722 ± 1) MPa，随自然时效时间延长呈现先降低后升高的趋势。这是由于短时自然时效形成的GPI区会在人工时效处理阶段部分溶解，降低后续GPI区、GPII区和η′相的数密度并促进相长大。而自然时效时间的延长使尺寸大于临界形核尺寸的GPI区比例增大，有助于在后续峰值时效时获得更为细小、弥散的析出相，也使得峰值时效下的GPII区比例逐渐增大、η′相比例逐渐降低。