金属及其化合物作为能源催化领域的核心材料，其性能受限于传统少组元体系活性位点单一、电子结构调变能力不足，难以实现复杂反应路径和产物选择性的精准调控。高熵化策略虽为突破材料性能提供了全新途径，但其多组元的引入也带来了严重的相分离倾向，使得单相、均匀高熵材料的可控制备成为制约其应用研究的核心瓶颈。本文总结了针对高熵合金、高熵陶瓷及二维高熵磷硫化物等体系，发展的一系列可控制备技术：熔体抽丝法制备高熵合金纤维；无压烧结工艺实现致密高熵金属碳化物的合成；固相合成辅以超声剥离技术获得二维高熵磷硫化物；金属有机框架(MOF)前驱体衍生策略合成高熵金属氧化物。这些方法实现了高熵材料合成在成分均质化、结构致密化、材料维度控制以及前驱体设计等方面的突破。在此基础上，进一步阐述了高熵化在催化性能调控中的作用机制，揭示了多组元协同效应在激活惰性基面、优化金属—O键的共价性、增强结构稳定性等方面的关键作用。本文旨在通过制备方法的创新和机理的解析，为高性能高熵材料的发展提供切实可行的技术路径和理论依据。

钛合金是制造飞行器承力框梁结构的关键材料，超声辅助窄间隙激光焊接钛合金能够有效改善其组织并提高其综合性能。本工作结合温度场和流场的数值模拟结果，对比分析了超声对焊接接头不同层间区域微观组织的调控机理，并进一步探究了超声振动对不同层间力学性能的影响机制。结果表明，超声促进了温度的均匀化分布，同时提高了熔池内的流体流动速率。超声的引入会在晶界的剪切方向产生空化应力场和大量空化气泡，使得焊缝整体晶粒在尺寸细化的同时变得更加均匀，并且显著增加了焊缝区针状α'马氏体的数量，晶粒细化效果由焊缝区到热影响区显著降低。超声的施加使得各填充层显微硬度和冲击性能均有一定程度提升，且超声对焊接接头综合力学性能的提升效果具有一定的深度递减趋势。

在铝合金铸轧成型过程中，通过促进或抑制粒子刺激形核(PSN)效应调控铝合金再结晶行为，改善铝合金的组织结构，是制备高质量铸轧板的技术关键和难点。本工作制备了6种不同Zr含量的Al-Mg-Si铸轧薄板，旨在从PSN角度揭示Zr含量对Al-Mg-Si铸轧薄板再结晶行为和力学性能的影响机理。结果表明，随着Zr含量的增加，晶粒尺寸呈先增大后减小再增大的变化趋势。Zr元素可与Al元素结合形成L1₂结构的纳米级Al₃Zr析出相，抑制铸轧板PSN再结晶行为，促使晶粒纤维化。当Zr添加量为0.4% (质量分数，下同)时，晶粒纤维化程度最大；当Zr含量为0.6%时，Zr元素对晶粒再结晶的抑制作用减弱，微观组织中出现粗大D0₂₃结构的Al₃Zr初生相，加剧了铸轧板的再结晶程度，再结晶晶粒明显长大。此外，随着铸轧板中Zr含量的增加，富Fe相的尺寸、体积分数均呈先增大后减小再增大的变化趋势。当Zr含量为0.3%时,铸轧板的综合力学性能较佳，此时拉伸断口呈现韧性断裂特征，铸轧板中富Fe相呈弥散分布，板材的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为226.91 MPa、104.81 MPa、15.05%。

为了解决传统冷轧工艺制备Cu/Al层状复合材料时常出现的界面结合性能差和氧化物生成问题，本工作采用高温无氧轧制工艺制备了Cu/1060Al/Cu三层复合材料，并对其力学性能和导电性能进行了系统研究。结果表明，经过2道次轧制和350 ℃、2 h退火的Cu/1060Al/Cu三层复合材料具有最优的综合性能，其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为107 MPa、178 MPa和67%。三层复合材料在界面层的耦合作用和两侧Cu层对Al层的牵制作用下，拉伸断裂模式为协同断裂。Cu/1060Al/Cu三层复合材料的电导率达到70.1%IACS，满足其作为导体材料的电导率指标要求。通过Ansys系统模拟了通交变电流时三层复合板内电流密度分布的变化情况。模拟结果表明，控制电流密度分布形式的主要因素是电流频率，通高频电流时电流密度分布具备趋肤效应的典型特征。在相同的电流频率下，交变电流密度随Cu层占比的增加而逐渐增加。在设计Cu层占比时，单侧Cu层占比的合理区间为10.0%~17.5%。

为探明服役过程中温度和应力快速叠加造成的涡轮盘损伤，本工作以涡轮盘用难变形GH4151合金为例，采用SEM、TEM、EDS和EPMA等表征手段，研究了不同温度下GH4151合金的拉伸行为和显微组织演化规律，分析了拉伸断裂失效机制。结果表明，随实验温度升高，GH4151合金的塑性呈现出先减小后增大的趋势，断裂方式由混合断裂逐渐向沿晶断裂转变。共格γ/γ′界面和MC界面位错塞积是导致混合断裂产生的主要原因，晶界位错塞积加速了高温高应力下O原子向晶界弹性应力场或缺陷处的富集，导致晶界动态脆化，引起沿晶断裂，造成GH4151合金在650~800 ℃高温拉伸时塑性下降。950 ℃拉伸时，GH4151合金强度迅速下降，裂纹以较慢的速率扩展，导致塑性增加。

块体金属玻璃属于热力学亚稳态合金，其非晶结构在环境温度超过玻璃转变温度时易失稳，从而导致其优异性能退化。提高非晶合金的热稳定性对于维持其综合性能至关重要。本工作在Fe₅₉W₂₃B₁₈ (原子分数，%)块体金属玻璃基础上，引入Cr元素，制备了一系列(Fe_{1 - x} Cr _x )₅₉W₂₃B₁₈ (x = 0、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25)块体金属玻璃。结果表明，Cr元素显著提高了该块体金属玻璃的热稳定性，其中(Fe_0.9Cr_0.1)₅₉W₂₃B₁₈金属玻璃的玻璃转变温度为954 K，晶化起始温度为994 K，极高的热稳定性主要源于Cr的引入使得体系更容易形成强过渡金属-类金属共价键(Cr—B键)，增强了原子间的相互作用。此外，大量类Fe₂₃B₆的中程序结构也进一步提高了体系的稳定性。Cr元素进一步降低了该金属玻璃体系的自腐蚀电流密度，这主要得益于Cr促进了合金表面稳定钝化膜的形成。然而，Cr₂O₃的抗点蚀能力弱于WO₃，导致合金的抗点蚀能力有所下降。

M50钢是目前应用最广泛的航空发动机轴承钢，热处理过程中析出的复杂析出相对其性能具有关键影响。目前，有关深冷处理对纳米级碳化物的演化行为和特性的影响尚未澄清，深冷处理对轴承中残余应力的影响也有待揭示。本工作依托中国散裂中子源(CSNS)的小角中子散射(SANS)谱仪和通用粉末衍射(GPPD)谱仪，并结合高分辨透射电镜观察及轮廓法测量残余应力等，系统研究了深冷和回火过程中M50轴承钢中纳米级碳化物的演化行为，以及轴承服役过程中的残余应力变化规律。结果表明，深冷处理的M50轴承钢中主要存在椭球状和杆状两类典型的纳米级碳化物，回火处理后，杆状碳化物的数量增加、平均尺寸减小，增强了二次硬化效果。另外，利用球差校正透射电子显微镜在深冷+回火处理的M50钢中观察到只有几个原子厚的片层状碳化物，原子级能谱分析结果显示，片层状碳化物富集C、Cr、Mo、V元素，具有fcc结构，可以看作是几何各向异性碳化物的前驱体。精研和精磨状态航发轴承套圈中的残余应力基本相同，且处于低应力水平；轴承套圈经过服役后切向残余拉应力增加，自研轴承服役后的残余应力状态与进口轴承状态相近。

为探究基于中温连续冷却工艺制备高强塑性中锰钢的可行性，以0.2C-3Mn-1.5Si (质量分数，%)中锰钢为研究对象，利用SEM、EBSD等表征手段和力学性能测试方法，研究了预先Mn配分对低Mn含量中锰钢中温连续冷却贝氏体相变及残余奥氏体体积分数的影响机理。结果表明，利用中温连续冷却过程中发生的无碳化物贝氏体相变可在中锰钢中获取残余奥氏体。通过在临界区预先进行Mn配分处理，可获得层片状富Mn奥氏体。在后续中温连续冷却过程中，贝氏体相变被限制在过冷奥氏体层片内发生，获得由薄膜状残余奥氏体、贝氏体铁素体和临界铁素体组成的多相细晶组织。通过预先Mn配分中的Mn富集和贝氏体相变中C富集的作用，大幅提升了低Mn含量中锰钢中残余奥氏体的体积分数，同时提高了中锰钢的强塑性。

氢脆会导致暴露在含H环境中的金属变脆并开裂，对能源、制造、运输和航空航天等行业构成严重风险，理解H与钢的相互作用在控制氢脆问题中起着至关重要的作用。本工作利用基于密度泛函理论的第一性原理方法，计算了不同合金元素对H原子溶入完整的及有空位缺陷的α-Fe基固溶体的影响，并根据晶体轨道Hamilton布居分析了H原子与合金元素、Fe原子的相互作用，并用爬坡图像弹性带(CI-NEB)方法计算了合金元素对H原子在α-Fe基固溶体中扩散的影响。结果表明，H原子均倾向溶于合金原子的第二、第三近邻四面体间隙，且溶解焓取决于H与最近邻的合金原子或Fe原子之间的键强；有空位缺陷时，H原子在合金化后Sc、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu的第一近邻空位处的溶解焓比在完整固溶体的四面体间隙位的溶解焓低，而固溶Al、Si、Ti、Zr、Nb、Eu、W的效果则相反；Ti、Cu、Zr、Nb及稀土元素的固溶会增加H原子从合金原子的次近邻至第三近邻四面体间隙的扩散能垒，同时降低其反方向的能垒，而固溶Si、V、Cr、Mn、Co、Ni、Mo、W的效果则相反。

为了探究高温合金环锻件成形过程中复杂的组织演变规律，本工作研究了现有GH4169合金组织模型对环轧过程的适配性，针对环轧过程中再结晶动力学方程对应变速率、温度和时间的高度非线性，对现有组织模型进行了适配性修正。利用FORTRAN语言将修正前后的组织模型分别写入程序并采用Simufact软件调用，之后对环轧过程进行微观组织模拟，建立了可以实现各工艺流程间组织遗传的数值模拟的方法，并通过实验验证了适配性修正后组织演化模型的正确性和该模拟方法的可行性。采用电子背散射衍射(EBSD)技术和建立的数值模拟方法对环锻件典型混晶区域进行了对比分析。结果表明，环锻件截面的再结晶组织由动态再结晶组织和亚动态再结晶组织组成。通过建立的数值模拟方法分析了两道次环轧时道次变形量对环锻件组织的影响。结果表明，增大终轧变形量有利于提高环锻件的组织均匀性。

合金铸件中微观缩孔的动态形成过程与枝晶凝固过程直接相关。为了模拟Al-4.7%Cu (质量分数)合金在凝固过程中发生的枝晶收缩现象，本工作建立了一个元胞自动机-格子Boltzmann方法(CA-LBM)耦合模型。该模型利用CA模拟枝晶生长过程中缩孔的形成，并通过LBM研究缩孔在液相中的扩散过程。首先用真空孔洞在液体中扩散均匀化的数值模拟验证了所建立的CA-LBM数值模型的正确性，然后对比计算了考虑和不考虑枝晶收缩的单枝晶凝固过程，最后计算了考虑收缩的多枝晶凝固收缩过程。对单枝晶凝固过程的计算结果表明，不考虑收缩的单枝晶在凝固结束后内部不存在孔洞，而考虑收缩的单枝晶在凝固结束后出现了均匀的微小缩孔；孔洞的出现对单枝晶的生长形貌有显著的影响，即会促进单枝晶二次分枝的出现。对多枝晶收缩模拟的结果也表明，微小孔洞出现在最后凝固的枝晶间交界处。缩孔总量的计算值与理论值的误差很小，证明所建立的数值模型是有效可靠的。

材料表面形成的晶界沟槽会影响表面物质的传输机制，引起晶界迁移的驱动力发生改变，从而影响晶粒长大动力学规律。本工作构建了耦合晶界沟槽演化和晶粒长大的相场模型，对晶界沟槽的形成过程进行了模拟。构建了多晶体系的自由能方程，总自由能的减少为体系的演化提供了驱动力；对迁移率系数进行了修正，使得晶界沟槽形成和晶粒生长遵循不同的动力学过程。然后，对UO₂陶瓷燃料晶界沟槽演化行为进行了模拟，结果表明，单个晶界的沟槽演化过程受表面扩散机制控制，且与Mullins经典理论解吻合较好。进一步研究表明，晶界沟槽的轮廓随着晶界的移动变得不再对称，而处于晶界移动方向前方的晶粒内出现更大的物质堆积。三维多晶薄膜结构的演化结果显示，所有晶粒朝着柱状晶结构演化，晶界与表面相交的位置逐渐产生了沟槽。此时，同一晶粒不同侧晶界所产生的沟槽会在晶粒表面发生重叠，晶界沟槽的轮廓形状也会发生改变。沟槽深度增加会使晶界移动速率减缓，晶粒长大过程变慢。

为了选取有效的Zn-Pb偏晶合金微量界面活性元素，调控Zn-Pb合金液-液相变过程，促进Zn-Pb合金形成弥散型凝固组织，本工作通过实验和理论计算研究了微量元素对Zn-4.0%Pb (质量分数)偏晶合金凝固组织的影响。实验结果表明，微量元素Sn、In能够显著细化凝固组织中的富Pb相粒子，而微量元素Cu、Bi对富Pb相粒子尺寸影响较小。建立了描述Zn-Pb合金液-液相变过程中微量元素在Zn基体与富Pb液滴间液/液界面处偏析行为的理论模型，计算并分析了微量元素在液/液界面处的偏析行为。计算结果表明，微量元素Cu、Bi不能作为Zn-Pb合金的界面活性元素，而微量元素Sn、In倾向于在液/液界面处富集，可作为Zn-Pb合金的界面活性元素。微量元素的偏析行为取决于各组元间的相互作用，仅当其与Zn原子和Pb原子间相互作用(吸引或排斥)均较弱时才可作为界面活性元素。