金属材料强度与塑性的协同提升始终是材料科学领域的核心挑战。由于材料的强度和塑性受位错可动性制约，2者通常难以协同兼顾，多主元合金(高熵合金)的出现为走出这一困境提供了新思路。相对于常规的固溶强化合金，多主元合金具有更大的晶格畸变，位错运动需要克服更高和更频繁的能量起伏，耗费更大的能量，合金流变应力随应变增加而增加，使得一些合金获得了较大加工硬化能力和强塑性协同提升。然而，该领域至少存在2个关键科学问题需要深入研究：(1) 多主元合金是完全理想的随机混合结构吗？是否需要规范其局域乃至多级微观结构来实现优异性能？(2) 如何规范和调控多主元合金微观结构？本文从规范和调控多主元合金微观结构出发，提出用负混合焓(负焓)合金化方法在原子尺度加工合金微观结构的学术思想，系统阐述利用负焓合金化方法实现合金强度与塑性协同提升，并揭示强韧化新机理。负焓合金化具有金属材料微观结构调控的3重效应：键能与慢扩散效应、局部化学有序效应、界面和尺寸效应，其为高强韧金属材料的微观结构在原子尺度设计加工提供了新维度和新范式。

有限的能源无法满足人类社会长期发展的需求，核聚变能源被视为保护环境和满足未来能源需求的重要解决方案之一。然而，为确保聚变堆的正常运行，解决托卡马克(Tokamak)装置中面向等离子体的偏滤器热负荷损伤问题至关重要。W因具有高熔点、低物理溅射率、低氘滞留以及优异的力学性能等优点而成为核聚变堆中偏滤器部位首选的面向等离子体材料(PFMs)。在聚变堆运行期间，钨基PFMs会受到持续的热负荷损伤，通常偏滤器部位需承受5~20 MW/m²高热峰值的稳态热负荷和功率密度高达约2 GW/m²的瞬态热负荷。因此，W在热负荷作用下的损伤行为及抑制损伤策略已成为当前研究的热点问题。本文根据国内外现有研究成果，阐述了纯W、合金化钨、弥散强化钨在热负荷作用下的损伤行为。针对钨基材料的热负荷损伤演变情况及抑制损伤策略进行总结与展望，进而为后续研究工作提供参考。

随着先进封装技术向微型化、高性能方向发展，集成电路芯片锡基微凸点的直径持续减小至微米尺度，通过单个凸点的电流密度随直径减小呈平方增加，其电迁移行为与机理研究对集成电路芯片互连可靠性评估与设计具有重要价值。本文归纳分析了芯片互连微凸点(焊点)电迁移现象的物理本质、主要影响因素和研究方法；系统综述了微焊点固-固电迁移过程中的极性效应、反极性效应和两相分离等电迁移行为特征与液-固电迁移过程中原子迁移、相析出和相溶解等电迁移行为特征；梳理评价了电迁移寿命的评估模型及修正模型；最后阐明了微焊点电迁移可靠性提升的方法，并展望了集成电路芯片互连锡基微凸点电迁移未来的研究方向和可靠性分析方法。

针对大线能量气电立焊过程中因复杂冶金反应所引起的焊缝金属成分、组织及性能难以量化和调控的问题，本工作设计了5种不同TiO₂含量的CaF₂-TiO₂熔炼焊剂应用于匹配药芯焊丝中，并对30 mm厚EH36船板钢进行气电立焊对接实验，重点研究了TiO₂含量对焊缝金属成分、组织、夹杂物和力学性能的影响规律。结果表明，随着焊剂中TiO₂含量增加，焊缝金属的硬度降低，冲击韧性提高。高温电弧作用使得更多的TiO₂分解进入熔池，从而显著增加熔池中O和Ti含量；同时，更多的Si和Mn元素通过熔渣-熔池界面流失进入熔渣中。焊缝金属中合金元素含量减少使得对应的连续冷却转变曲线向左上方移动，引起铁素体相变温度区间从755~578 ℃提升到780~595 ℃；同时，O和Ti含量增加使得促进针状铁素体形核的夹杂物的数量密度从4289 mm^-2增加到5327 mm^-2。多重因素的协同效应促使焊缝金属中针状铁素体的体积分数从9.3%增加到62.1%。焊缝金属组织形貌由平行状板条贝氏体向交织状针状铁素体转变，晶粒尺寸从(53 ± 14) μm细化到(10 ± 5) μm，大角度晶界的体积分数从41.8%提升到59.2%，有利于焊缝金属冲击韧性的改善。

不同晶体结构钢板在动态加载(撞击)下的微观组织特征响应行为是当前研究的热点与前沿问题。为研究不同晶体结构钢板在超高速撞击加载下的微观组织差异，利用二级轻气炮对304不锈钢和Q345钢板(2种典型晶体结构钢板)进行撞击实验，利用XRD、EBSD、TEM等表征方法对撞击后钢板的微观组织特征进行表征和分析。结果表明，在撞击条件下，304不锈钢板会发生α'-马氏体相变，并有少量的ε-马氏体相变发生，母相γ-奥氏体与α'-马氏体之间存在K-S位向关系。Q345钢板在撞击下未发生明显的相变，但其{200}晶面的衍射峰发生明显右移，晶面间距减少，{110}晶面的衍射峰强度大幅增加。从组织形貌看，在撞击条件下，304不锈钢板没有明显的晶体组织拉长现象，而Q345钢板发生了明显的晶体组织分层现象。

为了探究Mn元素偏析对中锰钢力学性能、微观结构及变形机制的影响，本工作以一种奥氏体基双相中锰钢(0.3C-11Mn-2.7Al-1.8Si-Fe，质量分数，%)为研究对象，对比分析了Mn偏析对显微组织的影响，着重探究了Mn偏析对冷轧退火后中锰钢力学行为的微观作用机制。结果表明，Mn偏析使得中锰钢中奥氏体表现出带状分布特征，富Mn偏析带内奥氏体晶粒粗大且稳定性高，铁素体晶粒细小且分布稀疏。塑性变形过程中，无偏析区内奥氏体的主控变形机制为孪晶和马氏体相变，即相变诱导塑性(TRIP) + 孪晶诱导塑性(TWIP)效应共存，但相变速率较快。富Mn区奥氏体稳定性增加，变形机制虽为马氏体相变，但TRIP效应受限。与均质非偏析中锰钢相比，尽管含富Mn区中锰钢细晶区域可提供较高的加工硬化能力，但塑性与断裂韧性明显降低。

奥氏体不锈钢中添加Nb会造成铸态组织中出现大尺寸初生NbC，不利于后续二次NbC的析出控制，是制约含Nb奥氏体不锈钢发展的重要因素。本工作采用OM、SEM、TEM和单轴拉伸实验等研究了Nb含量和均质化处理对奥氏体不锈钢铸态组织和力学性能的影响。结果表明，Nb含量的变化改变了晶界初生NbC和M₂₃C₆碳化物的析出行为，未添加Nb的合金在晶界处析出了连续分布的M₂₃C₆碳化物；Nb含量为0.30% (质量分数)时，形成了初生NbC +奥氏体的共晶组织，但晶界仍析出M₂₃C₆碳化物；Nb含量进一步提高到0.90%可完全抑制M₂₃C₆析出，但共晶组织数量显著增加。随着Nb含量增加到0.90%，合金的屈服强度提高，这是由于M₂₃C₆析出被抑制而使Cr元素固溶强化、Nb元素固溶强化、晶粒细化带来的细晶强化以及二次NbC的沉淀强化作用提高。然而，初生NbC与奥氏体间较差的变形协调性易诱发微裂纹的萌生，裂纹沿网状分布的NbC快速扩展造成了沟壑状的脆性断裂，显著降低了合金延伸率。1250 ℃均质化处理后，初生NbC由长棒状转变为球状或椭球状，提高了NbC与奥氏体界面处微裂纹形成所需的临界应力，抑制了微裂纹的萌生；同时初生NbC由网状分布转变为断续分布，避免了微裂纹沿初生NbC的扩展，在基本不影响奥氏体不锈钢强度的基础上，大幅度提高了延伸率。

为了应对先进航空发动机中材料研发成本大幅攀升的实际问题，亟需研发新型低成本高性能的镍基单晶高温合金。本工作以一种仅含3%Re (质量分数)的新型低成本第三代镍基单晶高温合金为研究对象，分析该合金1120 ℃高温下的氧化动力学行为与γ′相退化规律。结果表明：氧化前5 h，样品表面形成连续且均匀的三层氧化膜结构，此时氧化膜较薄(厚度仅约5 µm)，合金的氧化增重遵循次抛物线动力学规律；氧化10~100 h，Al₂O₃层间裂纹的萌生与扩展加速表面保护性氧化膜的剥落，导致样品内部的氧化加剧，反应形成AlN以及大面积的氧化反应区(ORD)，合金的氧化增重遵循线性动力学规律；氧化150 h后，ORD底部形成连续且曲折的Al₂O₃层，有效阻碍合金元素与O元素的扩散，并随着Al₂O₃层的增厚，合金的氧化增重逐渐接近抛物线动力学规律。此外，样品表面的高温氧化反应会加速合金中近表面γ′相的退化以及有害TCP相的析出。合金表面氧化膜与基体之间结合强度不足，是该基础合金非连续氧化条件下抗氧化性能低于连续氧化条件下的主要原因。

为了制定新型β凝固γ-TiAl合金合理的热加工和热处理工艺，研究其相变行为和组织变化规律具有极其重要的指导意义。本工作设计出一种新型的Ti-Al-Mn-Nb合金，该合金的名义成分(原子分数，%)为Ti-43Al-1.5Mn-3Nb-0.2Si-0.2C-0.1B，采用Pandat热力学软件计算、EPMA、TEM、EBSD和XRD等方法，系统研究了该新型合金在1440 ℃至1000 ℃温度范围内的组织演变行为。结果表明，铸态合金组织由片层组织(α₂/γ)和片层组织周围少量β_o/γ混合相组成。合金的凝固和固态相变路径为：liquid→liquid + β→β→β + α→α→α + γ→(α₂ + γ)→(α₂ + γ) + β_o→(α₂ + γ) + β_o + γ_g，其β转变温度(T_β )约为1420 ℃，γ相溶解温度(T_{γ, solv})约为1280 ℃，共析转变温度(T_eut)约为1160 ℃。当温度略低于T_{γ, solv}时，由α相析出的γ呈片层状，α相和γ相始终存在Blackburn位向关系：(111) _γ //(0001){}_{{\alpha }_{\mathrm{2}}}、<\mathrm{1}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{0})> _γ //<\mathrm{11}\overline{\mathrm{2}}\mathrm{0}>{}_{{\alpha }_{\mathrm{2}}}；由α相析出的β_o呈块状，遵循Burgers位向关系：(110){}_{{\beta }_{\mathrm{O}}}//(0001){}_{{\alpha }_{\mathrm{2}}}、<111>{}_{{\beta }_{\mathrm{O}}}//<\mathrm{11}\overline{\mathrm{2}}\mathrm{0}>{}_{{\alpha }_{\mathrm{2}}}。新型合金淬火组织的Vickers硬度位于385~512 HV范围内，随着淬火温度的升高淬火组织显微硬度提高，在β单相区淬火后生成的马氏体组织使得硬度达到512 HV。该新型合金同时具有β和α单相区，对发展可调控出全片层结构的易变形、高承温新型β凝固γ-TiAl合金具有重要指导意义。

Mg在多数服役环境(尤其含Cl⁻介质)中的耐腐蚀性能较差，含较多第二相的镁合金电偶腐蚀问题尤其突出，本工作采用3种不同轴肩直径(14、17和20 mm)的搅拌头对铸态Mg-5Zn合金进行搅拌摩擦加工(FSP)处理，研究具有不同第二相分布和晶粒特征的细晶组织的耐腐蚀性能。结果表明，FSP处理使合金中的第二相发生了不同程度的破碎和均匀分布，且随着轴肩直径增加，在固溶程度没有明显增加的前提下，第二相晶粒发生了长大，导致Mg-5Zn合金的微电偶效应增强，耐腐蚀性能逐渐降低。此外，FSP处理使Mg-5Zn合金形成了较强的(0001)基面织构，从而有利于耐腐蚀性能的提高。采用轴肩直径为14 mm的搅拌头，在转速为800 r/min、前进速率为40 mm/min及轴肩下压量为0.3 mm的FSP条件下，所制备Mg-5Zn合金的位错密度相对较低，其中的第二相被充分细化且呈均匀弥散分布状态，在3.5%NaCl溶液中的平均腐蚀电流密度相比铸态合金降低了近1个数量级。

锆合金因具有较低的热中子吸收截面、优良的耐腐蚀性能和力学性能，是轻水堆核电站中重要的核反应堆结构材料。然而，在高温及腐蚀条件下，锆合金表面会发生氧化腐蚀，当氧化膜厚度达2~3 μm时，其生长速率会急剧增大，即发生腐蚀动力学转变，限制了锆合金在反应堆中的使用寿命。本工作借助相场动力学方法对锆合金氧化膜中四方相ZrO₂ (t-ZrO₂)向单斜相ZrO₂ (m-ZrO₂)转变及氧化膜-金属体系中裂纹的扩展行为进行了研究。模拟结果表明，氧化膜中发生t-ZrO₂→m-ZrO₂转变时，生成的m-ZrO₂相呈“芒果状”且主要受压应力作用，而基体在沿m-ZrO₂晶粒的长轴和短轴方向上分别受到压应力和拉应力，且应力均随m-ZrO₂的长大而增大。应力下裂纹扩展模拟发现，氧化膜中平行于其与金属界面的横向裂纹，可在垂直于界面的拉伸应力作用下扩展，并可与邻近的横向裂纹及缺陷相互连接，形成缺陷层。氧化膜中垂直于界面的纵向裂纹在扩展至界面后未向金属基体中继续扩展，而是向氧化膜中产生分叉，其继续扩展将促进氧化层从基体上剥落。

为了抑制浇注叶片时合金液与硅基陶瓷型芯的界面反应，从而提高叶片内腔的表面质量，本工作采用原位座滴法研究了多弧离子镀沉积Al₂O₃涂层对硅基陶瓷型芯与镍基单晶高温合金界面反应及润湿性的影响。利用光学轮廓测量仪、SEM和XRD分别对界面反应后合金与陶瓷的表面质量、形貌、元素分布、反应产物进行了分析。结果表明，施加Al₂O₃涂层的硅基陶瓷型芯与合金熔体在高温下接触后，只在合金底部少数区域形成了Al₂O₃及硅化物；而未表面改性的硅基陶瓷型芯与合金熔体接触后，在合金底部形成了连续、致密的Al₂O₃反应层，且基本覆盖合金底部。合金熔体在施加Al₂O₃涂层的硅基陶瓷型芯上的润湿角为89.1°，优于在未表面改性的硅基陶瓷型芯上的100.4°，润湿性显著提高。

同步辐射X射线成像有着较高的穿透性和空间分辨率，在高温金属熔体凝固过程中微观组织形貌演化的原位观测方面有着巨大应用前景。但是二维投影成像往往丢失样品的深度信息而无法三维表征。受限于CT原位装置的时间分辨率，现有成像方法很难对高温金属熔体凝固组织进行三维动态形貌观察。本工作提出了一种可快速获取三维空间信息的同步辐射体视成像技术，利用双目视差原理，通过旋转载物台获得2个角度的透视投影图像，经立体匹配后获取双目视差实现目标物体深度信息的重建。相较于CT成像，该方法可以快速实现对目标物的准确三维重建。利用深度关系确定的静态螺旋金属丝样品，验证了该方法的有效性。并将该方法应用在高温合金熔体凝固过程的三维表征中，重建了凝固组织在厚度方向的位向关系。

传统软磁合金的力学性能难以满足复杂加工成型或高强度机械负荷的要求，而新型中/高熵软磁合金往往以部分牺牲比饱和磁化强度(M_s)为代价来实现优良力学性能。本工作通过调控冷轧态等原子比FeCoNi中熵合金的退火工艺，获得再结晶体积分数约为49%的异构组织。基于微观组织表征、直流软磁测试、磁光Kerr显微成像分析、拉伸力学测试等手段，研究了异构对FeCoNi中熵合金软磁和力学性能的影响机理。结果表明，该种异构合金的M_s约为152.5 A·m²/kg，与均匀再结晶合金在同等条件下测得的数值相近；其矫顽力约为205.3 A/m，低于均匀未再结晶合金(242.2 A/m)，但高于均匀再结晶合金(79.8 A/m)。异构FeCoNi中熵合金中，再结晶区磁畴壁的移动较平滑，仅在晶界和孪晶界处受到明显的钉扎作用；未再结晶区域缺陷密度较高，对磁畴壁的钉扎作用更强，磁畴壁在外加磁场作用下的移动较缓慢，使矫顽力升高。应力加载时，异构组织中的长程背应力效应可提升合金屈服强度，各区域的协调变形可优化加工硬化能力，使合金屈服强度(σ_y)达到467 MPa，抗拉强度(σ_u)达到610 MPa，且延伸率(δ)保持在30%，与均匀未再结晶合金(σ_y = 772 MPa、δ = 15%)和均匀再结晶合金(σ_y = 232 MPa、δ = 43%)相比拥有更好的强塑性搭配。