本文统计和分析了2023年度国家自然科学基金委员会工程与材料科学部金属材料(E01)学科基金项目的申请、受理、评审和资助情况；介绍了E01学科基金项目的进展、中期与结题管理情况；阐述了学科在落实科学基金改革与加强人才培养方面的举措；并对学科下一步的工作进行了展望。

在发生表面剥落的GCr15钢滚动轴承的表面裂纹附近发现了一种针状相，利用SEM、透射Kikuchi衍射(TKD)和TEM等表征手段研究了这种针状相的微观特征，分析了这种针状相的形成机理及其与表面裂纹的相互作用。结果表明，在GCr15钢滚动轴承表面诱发的裂纹附近所形成的针状相是一种特殊的马氏体退化组织。这种针状相是因局部应力作用而形成的细长条状组织，其三维形貌为薄板状，内部存在微观孔洞和等轴状纳米晶。在滚动接触疲劳过程中，表面裂纹会优先沿针状相的微观孔洞扩展，使针状相的形成与表面裂纹的扩展相互促进，加速了轴承表面疲劳剥落的发生。

为深入了解Ag在不锈钢中的赋存与踪迹及其对微观组织和力学性能的影响，通过OM、SEM、二次离子质谱仪(SIMS)、EBSD和室温拉伸实验等测试手段研究了Ag含量对奥氏体不锈钢组织、织构和力学性能的影响规律。SIMS分析表明，Ag在奥氏体不锈钢中主要以Ag单质和Ag _x S及Ag _x N等化合物形式存在，主要分布于晶界处，少量分布于晶内。当Ag含量(质量分数)由0增加至0.062%时，奥氏体不锈钢的晶粒尺寸逐渐减小，平均晶粒尺寸由126 μm减小至47 μm，这是由于再结晶形核过程中粗大的Ag单质和Ag _x S及Ag _x N等化合物颗粒刺激再结晶形核(particle stimulated nucleation，简称PSN效应)，而细小的Ag单质和Ag _x S及Ag _x N等化合物颗粒阻碍再结晶晶粒长大。EBSD结果表明，304、304Ag-1和304Ag-2不锈钢试样的最大极密度分别为3.24、2.71和2.22，表明Ag可以减弱奥氏体不锈钢的各向异性。随着Ag含量增加，奥氏体不锈钢的屈服强度和抗拉强度呈下降趋势，延伸率则呈上升趋势，且含Ag 304不锈钢与轧向呈0°、45°和90°方向的强度和延伸率一致性优于304不锈钢。在{111}〈110〉滑移系下晶粒的Schmid因子平均值随着Ag含量的增加而增大，晶粒中处于“软取向”的晶粒占比增多。

为了探究残余奥氏体稳定性对于中锰钢塑性失稳的影响和作用规律，本工作针对中锰钢(0.2C-5Mn-0.5Si-1.5Al，质量分数，%)，设计了预处理加临界退火的热处理工艺，得到2种残余奥氏体，并对其成分、形貌及稳定性进行了分析，进而讨论了残余奥氏体对力学性能的影响。结果表明，珠光体+马氏体+铁素体的多相初始组织退火后能够获得2种不同稳定性的残余奥氏体：源自珠光体具有较高Mn含量的薄膜状残余奥氏体；主要源自于马氏体具有适当Mn含量的块状残余奥氏体。块状残余奥氏体稳定性较差，在塑性变形初始阶段发生相变，有助于消除Lüders应变；薄膜状残余奥氏体稳定性较高，在变形中后期发生相变，有助于获得高强塑性。含双稳定性残余奥氏体的试样不仅保持了高抗拉强度(> 1000 MPa)和高断裂延伸率(> 30%)，而且还具有连续屈服和高强屈比的特点。

近年来，随着航空航天发动机的持续发展，对其关键热端部件的承温能力要求越来越高，而高温合金共格组织热稳定性是影响其力学性能的关键因素，本工作在团簇成分式[Al-Ni₁₂](Al₁(Ti, Nb, Ta)_0.5(Cr, Mo, W)_1.5)基础上，保持其他元素含量不变，改变Cr、Mo、W的含量设计了系列镍基高温合金(含Cr_1.0Mo_0.5的S1-CM、Cr_1.0W_0.5的S2-CW和含Cr_0.7Mo_0.4W_0.4的S3-CMW)，研究Cr、Mo、W含量变化对合金γ /γ′共格组织热稳定性的影响。采用非自耗真空电弧炉制备合金铸锭，并对其在1300℃固溶15 h后在900℃下进行长期时效处理，并对时效态样品进行微观组织表征和力学性能测试。结果表明，这3个合金的微观组织均表现为高体积分数(f > 70%)的γ′粒子均匀地分布在fcc-γ基体中。其中，S1-CM和S2-CW合金在900℃、50 h时效后γ′粒子形貌均呈椭球形，而S3-CMW合金则表现为方形，这是由于后者具有更负的γ /γ′点阵错配度(后者δ = -0.47%，前者δ = -0.25%~-0.33%)。500 h长期时效后，各合金中的γ′粒子形貌没有发生变化，且都具有较慢的粗化速率(K = 10~18 nm³/s)；尤其S3-CMW合金表现出最高的γ /γ′共格组织稳定性(γ′粒子的粗化速率K = 10.02 nm³/s)，且晶界处的第二相粒子析出明显低于其他合金。系列合金的硬度基本不随时效时间发生变化，也进一步表明了共格组织的稳定性；其中S3-CMW合金的显微硬度为397~418 HV，时效200 h后的室温压缩屈服强度为818 MPa。

为了研究碳化物对GH3536合金冷变形损伤的影响并加以控制，通过薄带材的冷轧变形和圆柱试样的压缩变形，观察了碳化物破裂以及基体局部开裂的现象，并结合有限元模拟结果，进一步探讨了碳化物形貌与分布特征对组织损伤的影响。结果表明，当碳化物尺寸较大、形状不规则且呈团聚分布时，其内部应力与破裂倾向较大，而小尺寸圆形碳化物的情况与之相反。碳化物的团聚与条带状分布是引起基体应力和开裂倾向增加的主要原因。热处理结果表明，通过将热处理温度提高到1150℃以上，可以明显改善小尺寸碳化物的团聚和条带状分布特征，但对于10 μm以上的大尺寸碳化物改善效果不明显。

通过大变形技术制备的高强Al-Mg合金具有广阔应用前景，但其塑性低和高温稳定性差的缺点严重限制其进一步发展。本工作采用低温高应变量衬板控轧(cryogenic high-reduction hard-plate rolling，CHR-HPR)制备了兼具高强塑性(抗拉强度约597 MPa、延伸率约7.7%)和高热稳定性的高固溶Mg含量Al-9Mg合金。利用EBSD、TEM、硬度测量和拉伸实验等方法系统研究了Mg含量对CHR-HPR Al-Mg合金微观组织和力学性能的影响。结果表明：CHR-HPR Al-9Mg合金中高含量固溶Mg原子与低温变形促进合金中形成了高密度位错及小角晶界，显著提高合金的屈服强度；高含量固溶Mg原子与可动位错交互作用引起的动态应变时效导致合金加工硬化能力提高，进一步提高了合金的抗拉强度和塑性。此外，在再结晶退火过程中，高含量固溶Mg原子有效地抑制位错滑移、钉扎晶界，延缓回复与再结晶的发生。因此，CHR-HPR Al-Mg合金热稳定性随固溶Mg含量增加而显著提高，其中CHR-HPR Al-9Mg合金再结晶温度达到400℃。

高温氧化是限制镍基高温合金服役寿命的主要因素之一。本工作旨在通过调控Al含量来提升Ni20Cr合金的抗氧化性能。采用机械合金化(MA)和放电等离子烧结(SPS)的方法制备了Al含量(质量分数)分别为1.5%、3.0%、5.0%的Ni20Cr-xAl合金，对比研究了SPS制备合金与相同成分铸态合金在900℃空气中的高温氧化行为。结果表明，SPS制备合金成分、组织均匀且晶粒细小，大量晶界显著加速了元素的扩散，在Al含量为1.5%时，Al内氧化严重，Cr快速外氧化生成含有大量孔隙和裂纹的Cr₂O₃膜，而在Al含量为3.0%和5.0%时，形成了保护性的连续致密的α-Al₂O₃薄膜，合金内部弥散的Al₂O₃颗粒为外Al₂O₃膜提供了形核位点并起到了钉扎作用，因此2者表现出优异的抗氧化性能，氧化速率分别为1.06 × 10^-7和4.92 × 10^-8 mg²/(cm⁴·s)。铸态合金都发生了内氧化，而且无法形成连续的外Al₂O₃膜，氧化膜的主要成分为疏松多孔的Cr₂O₃，因而氧化速率快且发生了氧化膜开裂和剥落。

为提高热障涂层黏结层高温抗氧化性能，本工作利用强流脉冲电子束(HCPEB)技术对低压等离子喷涂(LPPS)制备的NiCrAlY黏结层表面进行辐照改性处理，并揭示辐照改性效应对涂层抗氧化行为的影响。对比研究了HCPEB改性前后NiCrAlY涂层微观组织演变行为、1150℃静态氧化性能以及热生长氧化物(TGO)残余应力分布。微观分析结果表明，LPPS喷涂态涂层表面粗糙、存在较多未熔大颗粒；HCPEB改性态涂层表面平整光滑，形成厚约12 μm的致密重熔层，其内部形成丰富的变形结构以及Y-Al富集纳米分散颗粒。1150℃静态氧化实验及TGO残余应力测试结果表明，喷涂态涂层氧化150 h后氧化膜出现脱落、内氧化严重，应力陡然下降。相比之下，HCPEB改性态涂层在整个氧化周期内表面氧化膜均能稳态生长，未出现剥落迹象，其TGO应力以稳定且缓慢的趋势增加。结果表明，HCPEB辐照改性技术可以有效提高MCrAlY涂层的抗高温氧化性能。

为探究高Nb锆合金在含氧蒸汽中耐腐蚀性能恶化的机理，研究了Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr-1.0Nb (质量分数，%)合金在除氧(DE)、300 μg/kg溶解氧(DO)、1000 μg/kg DO的400℃、10.3 MPa过热蒸汽中的腐蚀行为，采用SEM、TEM和XPS分析了氧化膜的显微组织和Nb元素价态。结果表明：Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr-1.0Nb合金在400℃过热蒸汽中的耐腐蚀性能随着DO浓度升高而变差；合金在含氧蒸汽中耐腐蚀性能恶化的机理主要有2方面，一方面是DO加速了氧化膜中Nb元素的氧化，促进了Nb²⁺向Nb⁵⁺的转换；另一方面是DO促进了第二相氧化成m-Nb₂O₅以及非晶，进而促进了裂纹的萌生与生长，裂纹为O的扩散提供了快速通道，氧化膜显微组织的演化速率更快，最终加速了合金的腐蚀进程。

随着高性能、高能量密度锂离子电池的飞速发展，锂离子电池用集流体金属箔轻薄化已成为行业技术升级的一个重要方向，随着集流体厚度的减小，其疲劳失效问题变得日益突出。本工作通过拉-拉疲劳实验和EBSD技术研究了循环载荷作用下锂离子电池用集流体Cu箔和Al箔的高周疲劳强度及失效行为。结果表明，Cu箔疲劳裂纹主要萌生于较大晶粒内部的滑移带处，并沿滑移带扩展。基于对损伤晶粒微观结构的观察和统计分析，获得了Cu箔疲劳裂纹萌生和材料微观结构(晶粒尺寸及其变异系数、晶粒取向、Schmid因子(Ω))的统计关系图。Al箔由于表面含有轧制缺陷，其疲劳裂纹优先在表面加工缺陷处萌生。通过极值统计法成功预测了Al箔样品中可能的缺陷分布以及存在的最大缺陷尺寸，并基于Kitagawa-Takahashi图建立了缺陷尺寸与疲劳极限之间的关系。

为研究合金化对沉淀强化行为的影响，采用第一性原理方法计算了二元Ti-xM (M = Al、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Ta、W)合金弹性模量随成分的变化，提出了弹性模量Mo当量概念，以高效计算复杂成分钛合金(如Ti-Al-V合金以及Ti55521)的弹性模量；结合弹性模量及Russell-Brown沉淀强化模型，研究了二元Ti-xM (M = V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Nb、Mo、Ta、W)合金以及Ti55521合金中的沉淀强化。结果显示，在体积分数及沉淀相颗粒尺寸相同的情况下，Co、Fe、W、Mo、Ni、Mn沉淀强化作用较强，Cr、Nb、Ta强化作用居中，V强化作用最弱。随合金元素含量x增加，沉淀强化作用均有所增强。热机械处理Ti55521合金经短时时效后，沉淀强化作用有所减弱，但长时时效后，沉淀强化效果增强。

熔模铸造工艺流程长、工序多，铸件成型过程孤岛控制，存在尺寸超差问题。本工作基于节点法向量和最近邻点，提出熔模铸造工艺全节点位移传递的计算方法，解决熔模铸件成型多流程的数据孤岛问题。研究蜡模注射成型和铸件凝固过程工艺参数-尺寸偏差的关系，为数字孪生建模提供数据模型。对环套环特征件建立铸件模具反变形设计和铸件多流程下工艺优化的数字孪生应用。该数字孪生模型应用于设计阶段，反变形设计出模具内腔的三维几何模型。模拟结果表明，铸件所有节点位移偏差在0.04 mm以下。应用于流程之间的工艺控制，根据前一工序下尺寸偏差，进行后续工艺优化调控。

为实现金属圆棒的定量无损检测(QNDT)，在经典的Cartesian坐标系超声合成孔径(SAFT)理论指导下，提出了极坐标系下的合成孔径聚焦成像(pSAFT)算法及其环绕式时域合成孔径聚焦技术(ST-SAFT)。基于螺旋扫查自动检测系统推导了采用有效合成孔径弧度(SAR)表示的延时叠加成像表达式；通过制备横孔型人工缺陷试样进行检测实验，将超声检测数据经ST-SAFT处理后成像为圆截面断层扫描图；再运用图像边缘识别法进行定量评价该方法对缺陷检测的定量定位分辨率。结果表明：ST-SAFT孔径测量值与实际值相当；横孔定位准确；成像分辨率显著优于B扫描结果；每圆截面成像速率可达毫秒量级，可与棒材检测一周的机械扫查速率相匹配。该技术可用于提升金属圆棒超声检测设备的技术水平和提高棒材使用安全性保障能力。