金属玻璃微观结构无序,没有类似晶体材料中的缺陷,表现出一系列优异的力学和功能特性,具有广泛的应用前景。由于非晶结构上长程无序,难以建立结构和性能的关系。而弛豫动力学研究为认识金属玻璃提供了非常重要的窗口,对于理解其稳定性和形变行为极为关键,也一直是凝聚态物理和材料科学领域的核心问题。近年来,随着更多先进研究手段的使用和研究的不断深入,人们发现在玻璃态极长的时间跨度和不同空间尺度下蕴含着丰富的动力学行为,这些动力学模式之间彼此关联,同时也具有独特性。本文介绍了近期关于金属玻璃弛豫动力学研究的重要进展,及其对于认识和调控材料性能、优化材料制备等方面的影响。

本文简要介绍了固态物质结构研究的发展历程,并着重介绍了作者课题组最近在凝聚态结构物质上的新发现。(1) 与传统的Laves结构不同,等温时效析出的(Mg, In)₂Ca “Laves相”包含2种晶胞单元,这2种单胞沿6个特定的方向排列,构成5种拼砌图案,这5种拼砌模型随机键合在一起,形成一个在(0001)_L基面长程范围内不具有6次旋转对称的“C14”型Laves相。(2) Mg-Zn二元合金等温时效析出的纳米棒状相是由2种最小结构单元,即72°菱形结构单元(MgZn₂)和72°等边六边形结构单元(MgZn),沿5个方向自组装而成的一个包含C14、C15等短程有序的Laves晶体相和二维5次旋转对称结构的纳米畴结构。(Mg, In)₂Ca Laves相和Mg-Zn 5次纳米畴结构沿法线方向具有周期性的原子排列,然而在法平面上不具有任何平移周期性,是一类既不属于晶体相也不同于任何已发现的准晶体或准晶近似相的二维有序结构。

为了提高高温服役性能,微量元素B被广泛加入到几乎所有的商用高温合金中。研究人员普遍认为B倾向于在晶界偏析,这种偏析有助于抑制高温下晶界的迁移。B在高温合金中有2种存在形式,一种是以固溶形式存在,另一种是以硼化物析出相的形式出现。B在高温合金中的固溶度非常低,故在高温服役过程中会析出多种硼化物,如M₂B、M₃B₂和M₅B₃。尽管这些硼化物在高温合金中普遍存在,但人们对于其认识仍停留在形貌特征等相对宏观的尺度上。而基于这些析出相精细结构的深入认识有助于人们优化材料设计及合理的阐述结构-性能关系。近年来,基于像差校正电子显微技术,本课题组利用多种先进的电子显微学方法在原子尺度上对以上3种硼化物进行了系统的微结构解析。本文概述了硼化物的研究现状,系统介绍了对硼化物结构与缺陷的新认识,并展望了相关研究趋势。

固态相变和晶粒长大的共生现象在金属材料的热加工过程中普遍存在;认识共生现象对微观组织调控和高强高韧结构材料设计至关重要。针对纳米晶金属材料,结合近年来相变长大共生的研究进展,本文对共生起源、典型共生现象、共生机理及共生调控微观组织进行了简要综述。在此基础上,对本领域面临的关键科学问题进行了展望。

本文简述了近年来国内外钛合金粉末热等静压近净成形的研究现状和应用进展情况,从典型低温钛合金研制、高温钛合金研制、钛铝金属间化合物研制、粉末致密化的有限元仿真4个方面对中国科学院金属研究所在钛合金粉末冶金近净成形领域的主要研究进展加以简要介绍,并对该技术未来的发展趋势进行了展望。

高熵合金是近年来涌现出的一种新型金属材料。不同于传统合金设计以1种或2种元素为主添加其它合金元素为辅的方案,高熵合金由多种元素以等原子比或近等原子比的成分组成,具有独特的原子结构特征,因而呈现出诸多不同于传统合金的独特性能。自高熵合金被首次报道以来,目前已经研发出了一系列的高熵合金体系,在物理、化学、热力学性能方面显示出独有的优势,尤其在力学行为方面显示出高强、高硬、耐磨、耐蚀、抗高温软化等优异的性能,在国际学术界引起了广泛的关注和研究兴趣,已经成为新的研究热点。本文从高熵合金变形机理研究存在的挑战出发,主要综述了高熵合金的力学性能和变形行为特点,已经提出的强韧化方案及相关机理,并对未来高熵合金变形行为的研究进行了简单展望。

飞机起落架的性能与飞机的使用安全性密切相关,因此提高飞机起落架用材料的综合性能至关重要。本文通过总结飞机起落架用材料的应用现状和存在的问题,提出了新一代飞机起落架用材料的发展方向,并重点介绍了一种兼顾高强度、高韧性和优异耐蚀性能的新型马氏体时效不锈钢,该钢作为未来起落架用钢的候选材料具有广阔的应用前景。

金刚石/Cu复合材料以其高导热、低膨胀、耐热、耐蚀等优异特性,在热管理领域具有广泛的应用前景。但金刚石/Cu复合界面不相容限制了其性能水平。界面改性设计是改善界面结合、降低界面热阻的有效途径。本文以金刚石/Cu界面改性层的设计原理与主要因素为切入点,简述了金刚石/Cu复合材料界面设计的主要研究进展、存在的关键问题以及界面层厚小于200 nm的界面纳米化设计等几个方面的研究热点,并对其未来界面工程纳米化发展趋势予以展望。

近年来,镁合金在汽车、轨道交通、航空航天等领域的应用需求快速增长,其可靠连接的重要性愈发突出。作为固相焊接技术,搅拌摩擦焊(FSW)对镁合金焊接具有独特优势,因此得到了广泛关注。本文重点综述了镁合金常规对接FSW的研究进展,就焊接工艺、微观组织演化、织构分布特征、接头力学性能及其之间的相互作用机制进行了详细分析与评述。研究表明,不同于铝合金,在变形镁合金FSW时,织构是影响接头性能的关键因素,焊后形成的特殊强织构分布是导致接头难以达到与母材同等强度的主要原因。同时,对其它焊接形式如搭接焊、点焊、双面焊的可焊性及接头性能的影响因素与变化规律进行了讨论,并对镁合金与其它镁合金、铝合金以及钢之间异种焊的可焊性、界面结合机制、接头性能的影响因素及调控方法进行了评述。最后,对镁合金FSW的未来研究方向进行了展望。

金属材料超塑性一般要求具有均匀细小的等轴晶粒,并且在高温超塑变形过程中能够保持晶粒尺寸稳定性,避免晶粒快速长大。轻合金的超塑性不仅要具备等轴细晶组织,还需要通过引入第二相或合金元素等来保证材料的高温组织稳定性,这也是当前金属材料超塑性的研究热点之一。目前提高超塑性材料细晶组织稳定性的策略主要包括：析出第二相粒子钉扎晶界,双相合金的相结构之间抑制彼此生长,复合材料的增强体抑制晶粒长大以及单相合金的溶质原子偏聚等。本文概述了含析出第二相合金、双相合金、金属基复合材料和单相合金等轻合金超塑性组织稳定性的研究现状,并从工业应用需求及降低生产成本的角度,提出了超塑性材料的发展趋势。

本文综述了利用纯Ti箔和铝基复合材料(Al-MMC)箔反应退火合成TiAl基复合材料板材的研究进展。该方法包括对多层Ti/Al-MMC复合板的变形和反应退火热处理,在避免对脆性TiAl金属间化合物直接变形的同时,制备出具有较高强度和延伸率的TiAl基复合材料板材。对合成过程中TiAl基复合材料板材的组织演化和形成机理进行了总结,重点阐明了铝基复合材料与Ti的两步热处理的反应机理,提出了消除Kirkendall孔洞的工艺方法,为大尺寸TiAl基复合材料板材的制备提供了可行的工艺方案。

铸造高温合金应用于制造航空、航天、能源等领域高端装备的核心热部件,其研发涉及多种材料、多个学科,先进铸造高温合金材料的应用水平(技术成熟度)也是国家工业基础的重要体现。近年来在需求牵引下,我国铸造高温合金材料和精密铸件的研发取得了显著进展,但也在工程应用中不断暴露问题,技术成熟度偏低,与国际先进水平仍有较大差距。本文结合近年来本课题组承担的材料及铸件研制任务,从先进定向和单晶高温合金材料研制、复杂铸件研制、叶片的服役行为等方面,介绍了相关应用基础研究在高温合金研制任务中发挥的重要作用。

本文首先针对Inconel 718合金的锻造工艺过程,较为系统地阐述了合金高温变形时的再结晶机制、晶粒长大、δ相形态控制以及存在的残余应力问题。基于选区激光熔化技术在航空发动机材料增材制造领域的潜在优势和应用前景,分析了选区激光熔化技术制造Inconel 718合金凝固组织和性能的各向异性,探讨了热处理工艺在消除有害相、改变组织结构及力学行为等方面的重要作用和局限性。结合高温服役过程的组织演变,分析了Inconel 718合金变形时涉及位错滑移、孪生、γ″相剪切方式的变形机制。最后,介绍了通过调整Inconel 718合金成分来改变强化相结构,从而进一步提高变形高温合金服役温度的有效尝试(如Allvac 718Plus合金的服役温度提高了55 ℃),指出了通过成分调整来获得热稳定性优异的γ″-γ'复合析出结构是新型变形镍基高温合金的重要发展方向。

单壁碳纳米管具有独特的一维管状结构和优异的电学、热学和力学性质。但其在微纳电子、传感器件等领域的应用,仍受限于高品质单壁碳纳米管的可控制备。大规模、高纯度、有序排列、特定手性和导电属性的单壁碳纳米管可控生长仍然是该研究领域的巨大挑战。取得突破的关键在于对单壁碳纳米管生长机理的深刻理解,核心在于对单壁碳纳米管在催化剂上形核与生长过程的有效调控。本文从金属催化剂的电子结构与催化活性、熔点与结构稳定性、碳溶解度和扩散率等角度阐述其对单壁碳纳米管产率、纯度、有序度和精细结构的影响,总结金属催化剂控制生长单壁碳纳米管的研究进展、现状和挑战,展望可控生长的研究策略、设计准则与发展趋势。

金属和合金材料中广泛存在着氢脆现象,即由于氢的渗入使得材料的塑性变形能力显著下降,导致材料倾向于发生脆性或准脆性断裂。尽管氢诱发材料失效的问题被研究了很多年,但微观机理一直存在着广泛争议。本文以近年来的研究结果为基础,提出了“氢化空位”的概念(即氢-空位复合体),认为其是氢致材料失效初期微观结构的最小载体。利用多尺度模拟并结合实验测试,揭示出氢化空位不同于空位的特殊性质,研究了氢环境下在塑性变形中氢化空位的产生、聚集并经过长时间演化形成纳米孔洞的过程,构建出原子尺度事件与微观失效之间的联系。该研究丰富了对氢脆微观机制的理解,同时氢化空位的概念也为揭示氢环境下的其它特殊力学行为提供了思路。

金属材料的疲劳可分为高周疲劳与低周疲劳,通常分别以应力幅与应变幅作为损伤参量;疲劳性能评价标准在高周与低周疲劳交界处的断层导致抗疲劳材料设计与选择的困难。本文通过对纯Cu及Cu-Al系列合金高周、低周(含超低周)疲劳性能与微观损伤机制的系统研究,提出了统一高周与低周性能的三维疲劳性能预测模型,并由其关键参数进一步提出了基于能量的疲劳性能统一评价标准。该模型建立在应力幅-应变幅-疲劳寿命三维坐标系下,可通过投影的方式获得循环应力-应变(CSS)曲线、应力-寿命(S-N)曲线与应变-寿命(E-N)曲线,模型函数在特定条件下也可转化为Basquin公式、Coffin-Manson公式与滞回能模型形式,从而在经典理论基础上为疲劳性能评价与优化问题提供了新的视角。

研究了一种新型25Cr-20Ni奥氏体耐热不锈钢在750 ℃不同拉应力持久实验中析出相演变及其对性能的影响。结果表明,当持久应力为180 MPa时,持久寿命为32.6 h,析出相包括M₂₃C₆和(Nb, V)(C, N)相。其中M₂₃C₆主要分布在晶界位置,(Nb, V)(C, N)相在晶内弥散析出。当持久应力为150和120 MPa时,随着持久时间延长至98.1 h以上,晶界位置的M₂₃C₆发生长大和Ostwald熟化,但(Nb, V)(C, N)相具有较好的尺寸稳定性。同时,在持久应力为120 MPa条件下,组织中出现σ相。σ相首先在晶界位置析出,当持久应力为100 MPa时,随持久时间延长至752.3 h,σ相也会在晶内析出。研究还发现,大量σ相依附于(Nb, V)(C, N)相析出,这是由于(Nb, V)(C, N)相的析出导致附近奥氏体基体中局部位置C和N元素含量减少,从而促进了σ相的形核。不同应力条件下试样断裂方式均为沿晶断裂,当持久时间较短时,裂纹在晶界M₂₃C₆处产生,引起沿晶开裂。随着持久时间延长,σ相在晶界析出后,裂纹更容易在晶界σ相处产生,导致持久延伸率随持久寿命延长而减小。