细晶强化是镁合金的主要强化方式。Zr是镁合金(不含Al、Si等元素)最有效的晶粒细化剂，通常以Mg-Zr中间合金的形式加入。如何调控Zr元素在Mg-Zr中间合金中的存在形态(颗粒Zr与溶质Zr)是实现含Zr镁合金晶粒有效细化的关键。本文综述了镁合金晶粒细化的理论研究，基于生长抑制理论与异质形核理论，探讨了溶质Zr与颗粒Zr细化镁合金的机理，指出了含Zr镁合金晶粒细化的工程应用瓶颈。从颗粒Zr与溶质Zr 2方面综述了镁合金晶粒细化的研究进展，提出了Zr细化镁合金晶粒的协同设计策略。最后，对Zr细化镁合金晶粒的发展趋势进行了展望。

第三代先进高强钢(TG-AHSS)是近年来材料科学与汽车工业领域的研究热点。本文针对TG-AHSS的成分设计、热处理工艺及强韧化机制，基于热力学稳定性阐明了第三代先进高强钢成分设计的宗旨，基于广义稳定性对几类代表性热处理工艺进行了诠释。在此基础上，从广义稳定性与热-动力学相关性形成的热-动力学贯通性入手，对第三代先进高强钢的强韧化机制进行了总结和归纳。从热-动力学角度，对第三代先进高强钢的设计策略进行了展望。

热机械疲劳是单晶高温合金在实际服役过程中的一种重要损伤模式，澄清合金的热机械疲劳行为及损伤机制对于提升单晶高温合金的服役可靠性具有重要意义。本工作以先进航空发动机高压涡轮叶片用第四代单晶高温合金DD91为对象，采用SEM、EBSD、TEM等手段研究了合金在600~1000℃下的同相位热机械疲劳断裂特征及损伤机理。结果表明，随应变幅的升高，合金的疲劳寿命大幅下降，迟滞曲线明显张开，且应力响应行为由高温半周循环软化和低温半周循环硬化转变为以循环稳定为主导的特征。在不同应变幅下疲劳断裂后，合金断口呈韧性断裂特征，随应变幅的升高，韧窝区面积分数不断下降。在低应变幅下，合金主要承受氧化损伤，并伴随一定程度的蠕变损伤，合金的主要变形机制为位错在γ基体中滑移，并以Orowan机制绕过γ'强化相；而在高应变幅下，合金承受严重的塑性变形损伤而氧化损伤程度减轻，此时界面位错能够以生成层错或反相畴界的形式切割γ'相。另外，合金在不同应变幅下循环至断裂后，均未出现再结晶晶粒和变形孪晶。

晶界析出相对变形高温合金的力学性能有重要影响。本工作采用像差校正透射电镜观察发现，μ相中存在大量基面层错，依据层错结构单元排列的不同将基面层错分为4类。与μ相结构相比，I型基面层错相当于一层平行四边形结构单元反向；II型基面层错相当于在I型基面层错的基础上缺失一层矩形结构单元，形成C14结构；μ相内单独缺失一层平行四边形结构单元或矩形结构单元后相应地会形成III型和IV型基面层错，分别形成完整Zr₄Al₃相和C15结构。其中，II型和IV型基面层错都会形成Laves相，统计发现前者的数量多于后者。第一性原理计算表明，这与II型基面层错(C14结构)的稳定性高于IV型基面层错(C15结构)有关。

为进一步提高燃机叶片的服役温度，获得综合性能更优的镍基单晶高温合金，本工作研究了Ta含量对镍基单晶高温合金在900℃长时热暴露过程中组织损伤和性能退化规律的影响。利用SEM和TEM-EDS分析了Ta含量对抗热腐蚀镍基单晶高温合金微观组织及900℃、275 MPa 蠕变性能的影响。通过对比相同热暴露时间的不同Ta含量合金(2Ta、5Ta和8Ta)组织发现，随Ta含量的增加，γ'相尺寸无明显变化，但立方度有所提高，γ基体中的三次γ'相数量减少。随Ta含量由2%增加到5%，除热暴露4000 h时2种合金γ'相体积分数较为接近外，其余热暴露时间下5Ta合金的γ'相体积分数均高于2Ta合金；Ta含量进一步增加至8%，热暴露不同时间后γ'相体积分数均有所增加。随热暴露时间的延长，3种合金的900℃、275 MPa蠕变性能变化趋势存在差异：2Ta合金热暴露0~4000 h无明显变化，热暴露8000 h后性能明显降低；5Ta和8Ta合金的持久寿命均随热暴露时间的延长先升高后降低，分别在热暴露500和2000 h时达到峰值。随Ta含量的增加，合金稳态蠕变速率不断降低、蠕变寿命明显延长、峰值蠕变寿命向后推移，同时蠕变断后γ'相筏化程度和筏排结构完整度明显提高。合金蠕变性能的提升归因于蠕变初始状态中γ'相体积分数的提高、蠕变过程中γ'相筏排结构完整度和厚度的增加等综合因素。

为探究铁素体再结晶对冷轧中锰钢微观组织与力学性能的影响规律，以0.15C-5Mn (质量分数，%)冷轧中锰钢为研究对象，采用两步临界区退火的热处理方法，利用SEM、TEM和EBSD等表征手段和力学性能测试方法，研究了铁素体再结晶调控对冷轧中锰钢多样化残余奥氏体形成及其力学性能的影响。结果表明，通过在不同温度预先调控冷轧中锰钢中的铁素体再结晶，可获得由不同比例的等轴状再结晶铁素体和马氏体组成的双相细晶组织。经常规退火处理后，在终态组织中形成了不同体积分数的超细晶再结晶铁素体和呈等轴状/板条状形貌的多样化细晶残余奥氏体，使中锰钢在拉伸变形过程中表现出多样化的TRIP效应，在提升冷轧中锰钢强塑性能的同时，其Lüders变形也获得改善。

为提高40CrNi3MoV钢的力学性能，在40CrNi3MoV钢中添加Al、Cu元素，研究了调质处理后实验用钢中的NiAl、Cu析出行为及其对力学性能的影响。利用SEM、TEM和EDS等手段表征了NiAl和Cu析出相的成分、结构、尺寸和形貌，通过三维原子探针(3DAP)对析出相形成元素的分布特征进行表征，对比研究了实验用钢的力学性能。结果表明，只添加Al元素后实验用钢中形成与基体共格的B2-NiAl析出相，这些NiAl相主要在晶界处析出且尺寸较大；进一步添加Cu元素后，析出了与基体共格的bcc结构富Cu相，添加Cu后减少了大尺寸NiAl相在晶界处的析出，促进了晶内纳米级NiAl析出。实验用钢中的NiAl析出相和基体点阵错配度小，对抗拉强度提供了200 MPa强化增量；添加Cu后，均匀分布的细小富Cu相和被细化的NiAl相增加了对位错的阻碍作用，屈服强度进一步提高了200 MPa，然而大量细小高密度的NiAl和Cu析出相降低了拉伸过程中产生裂纹的临界应变，因此与只添加Al元素的实验用钢相比，抗拉强度并未提高。

为辅助理解金属材料高精密增材制造成形机理，本工作利用微米级选区激光熔化(micro-selective laser melting，M-SLM)技术制备了316L不锈钢，对其拉伸性能及断裂行为进行了研究，并对断后横向和纵向拉伸试样显微组织和断口形貌进行了表征与分析，对近断面塑性变形区的晶粒取向、晶界特征分布等进行了电子背散射衍射(EBSD)分析。结果表明：M-SLM制备316L不锈钢晶粒内部存在尺寸为100~300 nm的胞状组织结构，拉伸断口呈韧窝状，窝口直径80~500 nm，这使得316L不锈钢的横向平均抗拉强度达692.1 MPa，纵向平均断后延伸率达54.6%，明显优于传统SLM技术制备的316L不锈钢。M-SLM制备316L不锈钢在拉伸过程中奥氏体Σ3孪晶界的出现与晶粒取向有关，其在取向接近<111>的晶粒中较易出现。进一步分析指出，Σ3晶界的出现阻断了特殊晶界网络的连通性。通过基于EBSD的矩形截面法对共格Σ3 (Σ3_c)和非共格Σ3 (Σ3_ic)晶界进行了统计分析，显示316L横向拉伸试样近断口区的Σ3_c和Σ3_ic晶界数量百分比分别约为43%和57%，而纵向拉伸试样近断口区的Σ3_c晶界数量百分比提高至约70%。Σ3_c孪晶界的增加使得总晶界能降低，是导致M-SLM制备316L不锈钢纵向拉伸强度普遍低于横向拉伸强度的原因。

纳米纯Ti对间隙O原子具有强烈的敏感性，O含量可以很大程度上改变其力学性能和变形机制。采用分子动力学方法分别研究了O含量、变形温度、应变速率对纳米多晶α-Ti拉伸性能及变形机制的影响。结果表明，纳米多晶α-Ti的屈服应力随间隙O含量增加而升高。在O含量小于0.3% (原子分数)时，观察到变形孪晶{10\overline{\mathrm{1}}0}<10\overline{\mathrm{1}}2>，该孪晶通过孪晶面上的“带状位错”协调长大；O含量大于等于0.3%时，被激活的滑移系类型向多元化转变，柱面、基面和锥面<c + a>滑移系被激活，位错类型转变为以刃型位错为主。在含O纳米多晶α-Ti中，位错机制和晶界机制辅助塑性变形。晶界迁移率随变形温度和应变速率的增加明显增大。新晶粒形成过程伴随着不稳定的Ti_hcp→Ti_bcc→Ti_hcp相变，这种相变由晶粒的相对旋转所致，且生成新晶粒的数量随着应变速率的增大而增多。通过探索间隙O原子强化的本质，为优化纳米尺度纯Ti力学性能，拓展纯Ti应用范围提供理论依据。

近年来，复合电磁场作用下的合金凝固组织得到了相当大的关注。本工作以Ga-20%In-12%Sn和Al-7%Si (质量分数)合金为研究对象，研究了脉冲磁致振荡(PMO)与静磁场形成的复合磁场(CMF)对金属熔体流动和Al-7%Si合金凝固组织的影响规律。数值模拟和流动实验结果表明，CMF作用下平行于静磁场方向流型为单环流，垂直于静磁场方向流型为双环流，这与PMO单独作用下熔体流型为双环流有所不同。通过数值模拟CMF作用下金属熔体中电磁力分布和演变结果给出了其流型形成的原因。此外，凝固实验结果表明，本实验参数下CMF处理后的Al-7%Si合金晶粒尺寸小于仅单独施加PMO时所得晶粒尺寸。最后，在现有电磁场作用下金属凝固细晶机制的基础上，结合感应电流、电磁力和强制流动等效应对其凝固细晶机制进行了探讨。

韧性差是限制高强度纳米结构铝合金应用的关键问题，本工作旨在结合增材制造点阵结构获得高强韧性。利用增材制造和热挤压制备出TC4三维点阵结构增韧Al₈₄Ni₇Gd₆Co₃纳米结构铝合金的新型复合材料，并对其微观组织、拉伸力学性能和拉伸断裂行为进行了表征和分析。结果表明，复合材料中TC4点阵结构保持完整，界面保持平直清晰，TC4合金中的α相和β相沿着挤压方向拉长形成精细的片条状结构，纳米结构铝合金区域为高体积分数纳米结构化合物相和纳米晶Al。力学性能测试结果表明，TC4三维点阵结构对纳米结构铝合金区域的裂纹萌生和扩展产生了明显的限制效应，使得复合材料获得了良好的拉伸力学性能。

γ-TiAl合金部件需要磨削加工以保证其装配精度，而低塑性金属间化合物γ-TiAl合金的力学性能对磨削表面完整性极为敏感。本工作研究了磨削深度对γ-TiAl合金样品表面形貌、表层显微组织、显微硬度等表面完整性参数及最终疲劳性能的影响。结果表明，0.5 mm及以上深度磨削样品表面易产生裂纹，而0.2 mm及以下深度磨削样品表面完好，这与磨削变形热温升导致的冷却收缩拉应力过大有关。随着磨削深度增大，粗糙度参数的轮廓算术平均偏差(R_a)和微观不平度的十点平均高度(R_z)增大，偏度(R_sk)减小。表层γ + α₂片层沿磨削方向弯曲变形，相应变形层厚度随着磨削量增大而增大，而显微硬度由表及里先减小后增大。γ-TiAl合金650℃加载440 MPa旋转弯曲疲劳寿命随着磨削深度增大而减小，磨削深度0.05 mm的样品疲劳寿命大于10⁶ cyc，磨削深度0.2 mm的样品疲劳寿命约为10⁴ cyc，其断口裂纹源可观察到磨削痕迹，这与其表面沟槽应力集中有关。γ-TiAl合金疲劳寿命随着R_z的增大而减小，2者呈非线性关系；当R_z小于4 μm时，疲劳寿命稳定在10⁶ cyc以上。