高Cr (9%~12%，质量分数)马氏体耐热钢因其较高的热导率、较低的热膨胀系数以及优异的高温蠕变强度等优点而被认为是超超临界火电机组关键设备升级改造的主选材料。然而，服役过程中高Cr马氏体耐热钢高温蠕变强度的不断弱化严重影响了其安全可靠性。以往提升高Cr马氏体耐热钢高温蠕变强度的主要手段是通过合金成分优化设计来促进沉淀相弥散析出，但单一析出强化效应对蠕变强度的提升效果非常有限。近年来，位错-沉淀相-界面协同强化效应在提升高Cr马氏体耐热钢高温蠕变性能方面表现出显著效果。其原理是通过形变热处理引入位错来促进多种沉淀相弥散析出，同时通过控制相变来细化板条组织，增强位错、沉淀相及界面3者之间的交互作用，从而实现多类蠕变强化效应的协同提升。本文总结了高Cr马氏体耐热钢的协同强化机制及形变热处理组织调控，从高温蠕变强度提升角度回顾了合金成分的优化历程，阐述了热处理过程中的相变行为及高温组织退化机理，对比分析了单一析出强化效应及形变热处理后位错-沉淀相-界面协同强化效应对其高温蠕变强度的影响规律，并基于焊接接头蠕变失效行为探索了形变热处理对焊接热影响区的组织调控机制，以期为高Cr马氏体耐热钢及其他火电机组用沉淀型强化耐热钢的材料设计及工程应用提供指导。

发展富氧燃烧技术和提高锅炉的蒸汽参数可以有效减少燃煤电厂的CO₂排放，有助于火力发电行业实现“碳达峰-碳中和”的目标，但采用上述技术对锅炉材料的抗CO₂高温腐蚀性能和高温蠕变强度提出了更高要求，镍基合金有望成为优选材料。针对先进超超临界发电机组富氧燃烧烟气高含CO₂的特点，本文综述了目前关于Ni-Cr合金在富CO₂气氛中的高温腐蚀研究成果，重点介绍了CO₂气氛对Ni-Cr合金热生长Cr₂O₃保护膜的影响，阐明了Ni-Cr合金在CO₂气氛中发生碳化的机理，总结了富CO₂气氛中的H₂O(g)、SO₂、环境温度和合金元素对Ni-Cr合金抗高温腐蚀性能的影响，进而提出未来关于Ni-Cr合金在富CO₂气氛中的高温腐蚀需深入研究的问题，包括：解析Ni-Cr合金在不同气氛中热生长Cr₂O₃膜的微观精细结构，探明CO₂、H₂O(g)和SO₂与稀土元素在氧化膜晶界处的交互作用，关注富CO₂气氛中的HCl(g)组分对Ni-Cr合金形成Cr₂O₃保护膜的影响。

Mg-Zn系合金是镁合金中重要的合金体系之一，因其具有丰富的相组成、突出的变形能力和时效强化效果而备受关注，在航空航天、汽车工业及生物医疗等领域显示出较大的应用潜力。但是Mg-Zn系合金凝固温度区间宽、收缩量大，导致合金存在较大的热裂敏感性，一定程度上限制了该系合金的应用。因此，开展Mg-Zn系合金热裂行为的研究具有重要意义。本文归纳总结了热裂理论、合金元素及铸造工艺参数对Mg-Zn系合金热裂敏感性的影响，以及Mg-Zn系合金热裂行为数值模拟的研究现状；揭示了Mg-Zn系合金微观组织及凝固特性参数对热裂敏感性的作用机理，并提出了目前镁合金热裂行为研究的不足与建议，以期为Mg-Zn系合金的设计及应用提供指导。

天然鱼鳞由于具有独特的组织结构而表现出优异的力学性能，可为金属材料的组织结构优化设计提供有益启示。本工作利用Mg熔体浸渗不锈钢纤维编织骨架的方法，制备了具有类似天然鱼鳞的正交层合板和双螺旋层合板结构的镁基仿生复合材料，并选用二维平面随机取向结构作为对比，表征了复合材料的相组成、微观结构以及在室温与200℃条件下的力学性能，揭示了其微观结构与力学性能之间的关系。结果表明，镁基复合材料中不锈钢纤维能够起到显著的强化作用，并且其力学性能与微观结构密切相关。与二维平面随机取向结构相比，类鱼鳞仿生结构表现出更高的拉伸强度和塑性，并且能够通过不锈钢纤维从Mg基体中拔出促进变形和消耗能量。特别是，类鱼鳞双螺旋层合板结构在室温条件下塑性更高，而在高温条件下强度更高，其不同取向的纤维之间能够协调变形，诱导裂纹发生偏转，并减弱变形和损伤的局域化程度。

针对第三代单晶高温合金研制过程中析出少量拓扑密排相(TCP相)和中温性能偏低的问题，采用电子空位数计算，确定了对合金组织稳定性影响最显著的元素为Al，通过将Al含量降低0.4%，合金在1100℃、1000 h长期时效后完全无TCP相析出，实现了合金良好的组织稳定性。根据中温变形机制，认为合金中温持久性能偏低的原因为合金层错能偏低。确定合金成分的优化方案为在Al含量降低0.4%的基础上，少量降低Re和Co的含量以提高合金的层错能，通过将Re和Co含量分别降低0.25%和1%，合金在760℃、800 MPa的持久寿命由40 h提高到150 h，且合金的高温持久性能保持不变。在此基础上，确定了组织稳定且中/高温性能平衡的一种第三代单晶合金的最佳成分，并讨论了稳定合金组织和提高中温蠕变性能的原因。

厚板铝合金/镁合金在搅拌摩擦焊(FSW)时接头界面沿板厚方向存在严重的温度分布差异问题，导致接头界面组织分布极不均匀，接头成形较为困难。减小接头界面沿板厚方向温差成为改善厚板铝合金/镁合金FSW接头成形的关键之一。本工作选取15 mm厚的5A06-H112铝合金和AZ31B-O镁合金板材进行异种材料FSW，采用液氮喷洒于焊缝上表面进行局部强冷，利用EBSD和TEM获得焊接接头物相分布和晶粒取向散布，研究了铝合金/镁合金接头搅拌区(SZ)两侧界面处金属间化合物(IMCs)的析出行为。结果表明，在空冷和液氮冷却2种条件下SZ的铝合金侧主要析出Al₃Mg₂相；镁合金侧主要析出Al₁₂Mg₁₇相，且在上部界面处与Mg发生了共晶反应；焊缝表面局部强冷，降低了接头各位置的峰值温度和高温停留时间，有效抑制了IMCs的析出和低熔点共晶的形成。不施加表面冷却时，铝合金侧界面上部和中部附近的SZ中主要析出Al₃Mg₂相，底部SZ中则为细小的等轴铝合金晶粒；镁合金侧界面上部的SZ中则主要析出了Al₁₂Mg₁₇相，并与Mg形成低熔点共晶，且在共晶区与SZ中的铝合金之间析出Al₃Mg₂薄层，中部和下部SZ与镁合金之间析出了界线分明、由Al₃Mg₂层和Al₁₂Mg₁₇层组成的IMCs叠层，且中部的IMCs叠层总厚度远大于峰值温度较低的底部处IMCs叠层厚度，其中Al₃Mg₂层厚度减薄更为明显。当在焊缝表面施加液氮冷却时，铝合金侧界面上部的SZ中除了析出Al₃Mg₂相外，还有少部分Al₁₂Mg₁₇和铝合金晶粒，而界面中部和底部SZ中均为等轴状的铝合金晶粒；在镁合金侧界面处，各部位IMCs析出行为与不施加表面冷却时相似，但界面上部析出的Mg + Al₁₂Mg₁₇共晶层和Al₃Mg₂层、中部和下部SZ界面IMCs叠层总厚度明显减小，Al₃Mg₂薄层厚度降低更为显著。应变速率对IMCs的析出有显著影响，表现为界面层实际厚度远大于由扩散定律计算的理论厚度。

Ni作为可以同时提高强度和韧性的合金元素被广泛应用于高强度钢的生产中，但是当Ni的质量分数低于5%时，Ni元素的添加对于基体性能的改善不明显。然而对于低碳低合金钢而言，添加Ni会引起淬透性的变化，以及由此带来的协变相变产物的演变是不可忽略的。本工作设计了2种不同Ni含量的高强度低合金钢(0.92Ni钢和2.94Ni钢)，通过末端淬火实验和热模拟实验研究了Ni含量对0.92Ni钢和2.94Ni钢淬透性及相变温度的影响，利用SEM和EBSD表征了0.92Ni钢和2.94Ni钢协变相变产物的显微组织和晶体学特征。结果表明，Ni含量的增加可以显著提高2.94Ni钢的淬透性，降低其相变温度。在0.5℃/s的低冷速下，2.94Ni钢的组织为板条贝氏体和少量呈薄膜状弥散分布的马氏体/奥氏体岛(M/A岛)，形成以密排面分组(CP分组)为主导的相变模式，大角晶界密度、板条束(block)边界密度和V1/V2变体对含量较高，硬度也较高；而0.92Ni钢的组织为粒状贝氏体和呈粗大块状分布的M/A岛，形成以Bain分组为主导的相变模式，大角晶界密度、block边界密度和变体对含量较低，硬度较低。热力学和动力学分析表明，在0.5℃/s的低冷速下，Ni含量增加显著提高了2.94Ni钢的相变驱动力，转变速率更快；提高了未转变奥氏体中最大C含量的上限，促进了贝氏体的完全转变，减少M/A岛的含量。

铁素体系耐热钢焊接时热影响区的相变行为会严重影响焊接件的室温组织，在后续严苛的条件下运行服役时会对电站安全稳定运行产生严重威胁。高温激光扫描共聚焦显微镜(CSLM)能够重现热影响区焊接热循环，实现对微观组织演变的原位观察以及相变动力学的量化分析，具有优化焊接工艺和促进耐热钢铁材料发展的潜力。本工作利用CSLM对P11、P22、P91 3种典型Cr-Mo铁素体耐热钢热影响区连续冷却过程中的相变行为进行了原位表征，研究板条组织的生长特征与相变动力学。结果表明，根据形核位置能量势垒的高低，贝氏体板条依次在原奥氏体晶界、夹杂物、晶粒内部畸变区域、先前的贝氏体板条、晶粒内部的自由表面上形核；同时，依附于原奥氏体晶界和先前贝氏体生长的贝氏体板条以及在原奥氏体晶粒内部呈放射状切变生长的马氏体板条均通过碰撞晶界或其他板条的方式停止生长，并形成交叉互锁的结构。随着温度的降低，粗晶热影响区中板条的生长速率明显高于细晶热影响区，这主要归因于过冷度的增加和原奥氏体晶粒尺寸的增大。

研究了Cu-V双合金化的3Mn钢热轧板在550~650℃温轧和临界退火等制备工艺过程中(简称温轧退火样品)的组织演变与最终力学性能，并与热轧后在同样温度范围时效处理并临界退火的样品(简称热轧时效退火样品)进行对比。结果表明，温轧退火样品的塑性显著高于热轧时效退火样品，但2者屈服强度相似，这归因于温轧阶段引入大量缺陷，促进了临界退火时奥氏体逆转变过程，提高了残余奥氏体分数，最终可实现屈服强度高达1230~1320 MPa并保有23%~29%的延伸率，这一综合性能显著优于文献中Cu/V单一合金化的中锰钢，尤其是屈服强度大幅提高。这是由于采用了Cu-V双合金化并且在热轧后采用了温轧加临界退火的两段热变形处理工艺，除了在温轧阶段引入富Cu析出相以实现强化外，在临界退火阶段析出的VC还弥补了由于退火导致的软化，实现了高屈服强度；并形成25%~30%的残余奥氏体来提供相变诱导塑性，从而保证了高塑性。

合金化方法通常被用于改善储氢金属的力学性能，然而这往往会影响材料的储氢性能。为了研究Y掺杂对金属Ti吸放氢的影响，本工作从实验和模拟2方面研究了Ni/Ti-Y合金薄膜的吸放氢特性。采用直流磁控溅射方法制备不同Y掺杂含量的Ti-Y薄膜，并在表面镀一层Ni膜以减少表面污染。吸氘实验发现，Ti薄膜中氘(D)含量随着Y浓度的增加而增大，这是因为替位Y能够结合更多的D，且Y易与O结合可降低Ti被毒化的程度，有利于Ti吸D。密度泛函理论计算表明Y增强了与其相邻的Ti—H 键能，同时产生了较强的Y—H键，导致紧邻Y的H结合能和扩散势垒增大，Ti-Y对H的束缚力增强；氘热释放实验结果显示Ni/Ti-Y体系的D解吸表观活化能高于纯Ni/Ti，说明Y对Ni/Ti-Y体系的氘脱附动力学产生了重要影响。结果表明Y掺杂对Ti薄膜体系的吸放氢性能都产生了一定程度的影响。

高效催化材料的设计是能源材料领域的重要任务之一。本工作根据寻找具有低Pt负载量的高效析氢反应(HER)催化剂的指导原则，结合投影Berry相位描述符，设计发现了性能优异的HER催化剂立方Pt₇Sb，其氢吸附Gibbs自由能(\mathrm{\Delta }{G}_{{\mathrm{H}}^{*}})甚至小于Pt元素。因此，在降低Pt负载量的情况下，其HER催化活性有望提高。从电子结构分析来看，2个描述符\mathrm{\Delta }{G}_{{\mathrm{H}}^{*}}和投影Berry相位之间有很好的一致性。由于投影Berry相位完全由体态(波函数相位)决定，这种一致性意味着良好的催化性能与本征电子结构的拓扑性质之间存在着密切的关系。该结果提供了一个很好的HER催化剂候选材料，降低了Pt的负载量，并为展示催化剂本征拓扑性质的作用提供了参考。

材料的微观结构和变形机制决定了其强度和塑性。特别是位错的成核和运动在晶体材料的塑性变形过程中起着至关重要的作用。本工作采用分子动力学模拟方法，研究了α-Fe沿着[010]、[111]、[\mathrm{1}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{0}]及[\mathrm{11}\overline{\mathrm{2}}]晶向单向拉伸条件下的变形热-动力学行为，分析了相应的位错产生和演变。结果表明，沿不同晶向拉伸时材料表现出不同的屈服强度，由高到低依次为[111]、[\mathrm{1}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{0}]、[\mathrm{11}\overline{\mathrm{2}}]、[010]。沿不同的晶向拉伸时，位错密度变化趋势、位错类型及位错萌生时间均有不同，位错萌生时间越早，材料屈服强度越低。温度升高一般会使得单晶Fe在拉伸过程中位错萌生的时间提前，同时伴随弹性模量和强度的降低。对位错演化的热-动力学和广义稳定性分析表明，拉伸过程的热力学驱动力与动力学能垒的变化趋势相反，则广义稳定性数值与晶向及温度相关。