为解决镍基高温合金的焊接难题，以新型Ni-Co基高温合金为实验材料，采用塑性变形连接的新方法，实现了新型Ni-Co基高温合金的连接。通过OM、EBSD、TEM等分析手段探究了界面的再结晶行为及界面的愈合机制。结果表明，1150℃进行塑性变形连接时，合金的变形抗力小，不易开裂。不同变形量的连接实验表明，在40%的变形量下，合金可以实现界面的完全愈合，其力学性能达到基体同等水平。在塑性变形过程中，界面附近的粗大晶粒首先发生细化，随着变形量的增加，细化的晶粒在连续动态再结晶的辅助作用下，通过界面晶界的迁移消除了原始连接界面，实现界面的愈合。

开展了高Cr铁素体耐热钢与TP347H奥氏体耐热钢的异种材料真空扩散连接实验，研究了扩散连接时间及焊后热处理工艺对扩散影响区组织演变和力学性能的影响。结果表明，随着扩散连接时间的延长，界面结合率逐渐增加。变形储存能差异与位错滑移的相互作用下，在扩散连接界面处发生动态再结晶形成了细小晶粒，最终演化成锯齿状的界面结合形态。扩散连接区晶界与晶粒内部析出细小弥散的MX、M₂₃C₆相。焊后热处理之后扩散连接区的晶粒进一步细化，位错相对稳定化，位错密度减少，小角度晶界增多，元素扩散更加充分。对获得的扩散连接试样进行不同温度的拉伸实验，断裂位置均位于基体中，说明获得了高质量的异种材料扩散连接接头。

为研究高强度钢热冲压后微观组织(尤其是多相微观组织)的力学性能及本构关系，首先通过控制冲压时的模具温度和保压时间获得包含全马氏体、全贝氏体以及马氏体/贝氏体混合组织的试件。然后利用纳米压痕实验获得不同微观组织的载荷-位移曲线，并采用纳米压痕逆算法进行量纲分析计算出上述微观组织的弹性模量、屈服强度、应变硬化指数等力学性能参数，获得不同组织的弹塑性幂强化本构模型。最后通过对应纳米压痕实验过程的有限元模拟，对所获得的本构模型进行校验。结果表明，采用逆算法求得的本构模型可以准确地描述高强度钢热冲压后主要微观组织的力学性能。

研究了回火温度对含15% δ铁素体(体积分数)的热轧高铝中锰钢显微组织和力学性能的影响。结果表明，钢中长300 μm的δ铁素体经热轧再结晶可被细化分割至大量长3 μm左右竹节状晶粒，且在回火温度高达700℃时尺寸不变。400~500℃回火后，马氏体基体依然维持较高的位错密度且析出细小渗碳体和纳米级VC粒子，屈服强度最高；同时C由马氏体向奥氏体的大量配分提高了奥氏体稳定性，获得了相对持久的加工硬化，最终获得了屈服强度约1500 MPa、抗拉强度1800 MPa和断后延伸率14%的最佳力学性能组合。该钢δ铁素体相一方面由于析出强化、晶粒细化和位错强化而得到显著硬化；另一方面δ铁素体体积分数不高且呈孤岛状嵌在马氏体基体中，这些特征导致该钢屈服强度由马氏体基体而非δ铁素体所决定，因此相比于其他类似Al含量的含δ铁素体中锰钢，屈服强度大幅度提高。

为探究马氏体转变膨胀应变能对马氏体转变起始温度(M_s)的影响以及实现对M_s的准确预测，采用热膨胀相变仪测定了Fe-C-Ni合金的膨胀曲线，通过三切线法得到M_s与奥氏体转变起始温度。采用OM观察和XRD技术分析了成分对马氏体转变后组织和晶格参数的影响规律。通过考虑C成分与Ni成分交互作用，修正了马氏体转变膨胀应变能模型。以马氏体转变化学驱动力(同成分bcc相与fcc相的Gibbs自由能差)与非化学驱动力(奥氏体的剪切应变能、奥氏体的膨胀应变能、马氏体的缺陷储能和奥氏体与马氏体的界面能)之和为0作为判据，计算了Fe-C-Ni体系的M_s。结果表明，C含量与Ni含量的增加会促进转变后bcc相的晶格膨胀，Ni含量的增加会使形成的马氏体的板条变细小。在C含量(原子分数)小于1.0%，Ni含量(原子分数)小于20%的Fe-C-Ni合金中，计算得到膨胀应变能在非化学驱动力中的平均占比为41.3%。使用修正后的模型计算Fe-C-Ni体系的M_s，预测误差为4.1%。

采用吉帕级超高压烧结粉末冶金方法制备了14Cr-ODS钢，通过致密度、SEM、TEM、硬度以及拉伸实验等方法研究了高压烧结工艺对ODS钢微观组织及力学性能的影响。研究表明，通过高压烧结可获得主要析出相为Ti₂O₃、晶粒均匀、平均晶粒尺寸小于300 nm的细晶14Cr-ODS钢，其Vickers硬度可达604 HV，抗拉强度接近1.5 GPa，显著优于常规烧结方法制备的相近成分ODS钢的性能。得益于超高压力产生塑性变形对晶粒形核和原子扩散的综合影响，超高压烧结可在较低烧结温度和较短烧结时间的工艺下，获得致密度超过99%的力学性能优异的ODS钢试样。

对高氮奥氏体不锈钢QN1803和常规奥氏体不锈钢304进行了不同形变量的拉伸实验，通过EBSD、XRD和TEM分析了其形变组织和强韧化机制。采用电化学工作站、酸性介质腐蚀实验和OM、SEM分析了不同拉伸形变量下的耐腐蚀性能和腐蚀机理。随着拉伸形变量的增加，QN1803和304不锈钢的微观组织均出现由位错塞积到α'马氏体的转变。QN1803不锈钢的屈服强度比304不锈钢提高了26%，延伸率降低了约6.6%，其原因是QN1803不锈钢中N含量高、30%冷变形后产生50%马氏体所对应的温度(M_d30)较低，拉伸过程中产生的形变马氏体含量低于304不锈钢，相变增韧效应不如304不锈钢充分。拉伸形变对QN1803和304不锈钢的晶间腐蚀影响不大，但其耐点腐蚀能力、耐硫酸腐蚀能力均有下降，其中QN1803不锈钢下降的幅度明显小于304不锈钢。主要原因是形变马氏体导致不锈钢表面钝化膜破坏和稳定性下降，使钝化膜在腐蚀中处于不稳定的溶解-生成状态，从而降低了形变后的耐腐蚀性能。总体而言，提高奥氏体不锈钢的N含量能够节约Ni元素的使用，大幅提高不锈钢屈服强度，略微损害延伸率，但显著提升拉伸形变条件下的耐点蚀和耐硫酸腐蚀性能。

提出了粉末中添加B的成分设计，实现通过B牺牲氧化而保护合金元素不氧化从而发展高温CuNi熔滴自清洁氧化物效应。采用CuNi2B与CuNi4B 2种粉末，通过大气等离子喷涂工艺制备涂层，通过SEM、EDS、XRD和ICP-OES等方法研究了B含量与喷涂距离对CuNi涂层组织结构与性能的影响。结果表明，熔滴可加热至1900℃以上，粉末中B的引入可抑制飞行中高温熔滴中的合金元素的氧化，从而显著降低CuNi涂层中的O含量，而该效果受熔滴中B含量影响显著。采用4%B的CuNi合金粉末时，随着喷涂距离的增加，涂层中的氧化物显著降低，涂层中的O主要由熔滴沉积后的氧化引入，优化喷涂工艺制备的涂层O含量降低至0.43%，显著低于CuNiIn涂层的3.5%。当CuNi粉末含B为1.83%时，在距离超过100 mm，B含量降至0.5%以下时，不足以抑制等离子喷涂过程中飞行颗粒的合金元素氧化，故实现高温熔滴氧化保护的临界B含量约为0.5%。研究发现，B添加可引起合金熔点降低效应与去氧化物净化效应，从而显著增强了CuNi粒子间的冶金结合，提高了涂层的致密性；涂层B含量随粉末成分与工艺参数从0.26%增加至3.61%，而CuNi涂层硬度则随B含量增加从151 HV_0.2线性增加至457 HV_0.2。

基于前期的研究结果，降低Mn和Cr元素的含量，将2者的原子分数均固定在8%，设计出(Fe_0.33Co_0.33Ni_0.33)_{84 - x} Cr₈Mn₈B _x (x = 10、11、13、15和18)合金(简称10B、11B、13B、15B和18B)，采用真空熔融甩带法制备出该系列合金的薄带。将合金薄带在不同温度下进行退火处理，通过XRD、DSC、TEM、SEM、万能拉伸试验机、OM、Vickers硬度计等研究了合金薄带的结构特征、晶化行为和力学性能。结果表明：11B合金薄带已完全形成非晶相(am)，11B~18B合金薄带加热时都有2个结晶转变放热峰，B元素的添加提高了该系列合金的非晶形成能力(GFA)和热稳定性。11B~18B合金薄带在不同温度退火，bcc相、fcc相和硼化物(M₂₃B₆)等1种或多种混合物析出，其结晶行为分别为：11B和13B，[am]→[am′ + bcc]→[am″ + bcc + fcc]→[bcc + fcc + M₂₃B₆]→[fcc + M₂₃B₆]；15B，[am]→[am′ + fcc + bcc]→[am″ + bcc + fcc + M₂₃B₆]→[bcc + fcc + M₂₃B₆]→[fcc + M₂₃B₆]；18B，[am]→[am′ + fcc]→[am″ + fcc + M₂₃B₆]→[fcc + M₂₃B₆] (其中，am′和am″分别为第1次和第2次结晶残余非晶相)。

用TEM、SEM等对U_30.03Zr_28.83Ti_9.66Ni_7.00Cu_8.75Be_15.73铀基非晶复合材料的微观结构和成分分布进行了表征，发现该复合材料是α-U相和以Zr、Ti为主的非晶相的双相复合材料，其中两相均以球形析出相的方式构成多层次嵌套结构。复合材料在降温过程中，首先发生以形核-长大机制为主的U、Cu两相的相分离，其他合金元素再根据混合焓择优分布；随后的凝固过程为α-U凝固相变与非晶转变的两步过程，并在非晶为球形析出相的区域形成具有过渡层的特殊结构。这些结果为非晶复合材料的成分设计和热处理工艺的调整提供了新思路。

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法结合声子谱计算和价键作用分析，研究了Ir含量对W_{1 - x} Ir _x (x = 0~12.96，原子分数，%)合金几何结构、相稳定性、力学性能以及热力学稳定性的影响，构建了Ir的添加量与W-Ir合金的相稳定性、力学以及热力学性能的变化关系。发现W-Ir合金的相稳定性随着Ir含量的增加而逐渐降低，这与W—Ir价键中部分反键态占据Fermi能级以下区域有关；Ir在W中的添加量小于7.4%时，W-Ir合金满足基态相稳定性要求；随着温度的升高以及Ir含量的增加，W-Ir合金的热力学稳定性得到提升，表明Ir适合添加到高温条件下应用的W中；Ir的加入能降低剪切模量，改善钨合金韧性，与实验观察一致，但Ir也能提升平面抗剪切变形能力。本征脆性的Ir对W的强韧化作用与W—Ir原子键合时轨道电子的转移和重叠方式有关。

采用第一性原理计算与实验相结合的方法探究了Cu元素掺杂所造成的元素之间的交互作用对Inconel 718合金Nb偏析的影响。构建了掺杂前后Ni-Fe-Cr-Nb超晶胞模型，计算了掺杂前后各体系的形成热、结合能、态密度、差分电荷密度以及布居分布。计算结果表明，Cu原子的掺杂降低了体系的稳定性；掺杂改变了体系中元素之间的交互作用，影响了原子之间的键合强度及电荷密度分布，Cu的添加增加了基体中Fe原子和Cr原子之间的结合力，但同时也增加了Fe原子和Nb原子之间的排斥力。实验结果表明，微量Cu元素的加入降低了Fe和Cr的偏析，但促进了Nb元素的偏析。第一性原理计算和实验结果表明，Cu掺杂后Nb原子与周围Fe原子间排斥力的增加是Cu促进Nb偏析的本质原因。

选取具有不同取向差角的纯Al <111>对称倾斜晶界，采用合成驱动力法模拟晶界在300~800 K温度下的迁移行为，研究温度对迁移行为的影响。结果表明，晶界迁移行为的温度相关性随取向差角而变化，可以归为3类：取向差角为8.61°~21.79°的晶界呈现明显反热激活迁移，38.21°~60°晶界总体上表现为热激活迁移，27.80°~32.20°晶界在低温下为热激活迁移，在较高温度下转变为反热激活迁移。8.61°~21.79°晶界的迁移率总体上远高于其他晶界，但差异随温度升高而减小。结构单元模型能够准确体现不同晶界在各个温度下的结构特点，且结构单元类型相同的晶界表现出相似的迁移行为温度相关性。不同温度区间内同一晶界的迁移行为温度相关性变化可能与结构单元多个变体之间的转变有关。