材料是人类生产和生活所必需的物质基础。公元前1000年人类就开始使用金属材料，至今已经有三千余年。金属材料主导着人类社会的发展，鉴于材料在人类社会发展过程中的重要性，历史学家使用典型材料来命名我们的时代。从石器时代到青铜时代、铁器时代、钢铁时代直到目前的新材料时代，金属材料的发展引领了人类文明的进步。

吕昭平

　　金属材料量大面广，是高端装备和重大工程应用关键材料。发展高性能金属材料是实现中国式现代化的重要保障与提升国家竞争力的关键支撑，亦是人类社会进步永恒的追求。特别是在高新工程领域如航空航天、能源等，均需要金属材料性能多样化、一体化、极限化。

　　金属材料高性能化发展方向之一，就是性能的一体化。从过去“一材一用”到现在“一材两用”甚至多用，从过去的“一专一能”发展到现在的“多专多能”，材料设计理念创新是根本。但是金属材料性能的极限化、一体化仍然面临着长期的挑战，影响这些性能的因素不是独立变量，而是互相影响的。

　　金属材料研发面临更高要求

　　首先是超高的屈服强度和高塑性之间的关系。要获得超高强度，就要抑制警惕缺陷的开动，比如位错的开动。但如果想获得超高塑性，就必须促进位错的开动。著名的“香蕉曲线”显示随着强度的升高，塑性急剧降低。在中强和低强领域，材料科学工作者取得了长足的进步，但是在超高强领域这种矛盾变得更加尖锐，进展非常有限。

　　能源领域需要的材料要求既具有高强度、高韧性，同时也要能够抗高温辐照。但是支撑强度的非共格粒子高能界面，在高温下会发生溶解，导致材料的快速失效。材料的强度越高，其抗高温辐照性能就越差。催化剂则需要与中间体之间有快速的电子交互，可以带来高的活性。但从能源消耗角度来说，我们希望金属催化剂具有长期的稳定性，即催化剂与中间体没有电子交换。

　　金属材料要如何获得超高强度和高塑性。超高强度钢通常指的是屈服强度超过1500兆帕的钢铁材料，主要被应用于航空航天等重要领域的关键承力部件，比如飞机的起落架、导弹的壳体等——既需要超高的屈服强度，同时又有高韧性。

　　目前美国的A100钢是性能最优的超高强度钢，它主要用于战斗机的起落架；美国的300M钢是最好的民用超高强度钢，主要用于民营的起落架，我国的大飞机C919用的也是这种钢。但即使是超高强度钢A100钢，它的强韧性也不足，仅美国报道的因飞机起落架发生的灾难性事故不下百余起。此外，新科技革命和产业变革对金属材料提出更强、更有韧性的要求。

　　超细晶高强钢研究获得重要突破

　　到目前为止，超高强度钢的研发都是基于经典的Orowan强化机制。换言之，粒子和晶体具有不同的晶格，在界面发生错配，所以被称为半共格界面。它的强度主要是来自错配度和粒子的大小，在界面处由于半共格的关系产生了大的畸变，容易引导裂纹的萌生。

　　材料的强度和粒子尺寸成正比关系，而韧性跟粒子成反比。这一固有的冲突使得材料强度升高、塑性降低。因此经典的Orowan理论实际上遇到了瓶颈，研制超过两个GPa的超高强度钢已经不可能。美国研制了A310、A340，强度提高了50到100兆帕，但是塑韧性急剧降低，这两种钢也没有被实际运用。教科书告诉我们，还有一种粒子叫做Taylor粒子。但是基于Taylor强化材料低强、低塑的特点，以及这两种经典的强化理论，再获得超过两个GPa的高强高塑钢铁材料几乎不可能。我们团队提出“低错配、强有序”的核心设计理论，通过合金化进一步降低错配度，从通常的百分之几降到百分之零点零几，粒子和机体界面能极低。同时在粒子本身做文章，引入了强有序效应，提高了反相畴界能，可以避免两种经典机制的局域损伤。

　　结合经典的两种机制切入耦合，我们团队研发的钢具备2200MPa的屈服强度。特别是第一次获得了加工硬化能力和大的均匀塑性变形能力，成本降低了60%。基于该理念的创新，我们研发了超高强合金新体系，并发展了全球化机制。基于同样的思路，我们还突破了屈服强度和加工硬化能力的矛盾，设计开发了超细晶TWIP( 孪 晶诱导塑性 ) 钢。目前与商飞、中广核研究院等进行中试的合作，完成了吨级中试实验、锻件和旋锻件的制备。

　　高强度抗辐射性领域的重要进展

　　核建工业提高能源效率的目标追求对金属材料提出了新的需求，特别是第四代核反应堆需要金属材料在更高温度、更高剂量的辐射环境下服役。现有的抗辐照金属材料无法满足未来的需求，特别是关键支撑、传动及第一壁连接件急需高强韧性抗高温辐照材料。

　　过去的抗辐照机理是在材料里引入高能界面，辐照缺陷可以自发地扩散到高能界面，这样可以通过高能界面湮灭辐照缺陷。这种高能界面在高剂量、高温辐照条件下容易发生回溶，从而导致材料的失效，因此传统的抗辐照机制实际上面临着困境。

　　我们发现共格纳米粒子在高温辐照条件下，在离子或者中子的轰击下会发生回溶。但是又马上会发生纯晶析出现象，这种无序有序的转变、动态的回转吸收过程使材料保持着非常高的纳米粒子密度。因此我们提出了基于回溶—析出过程、湮灭局域缺陷的全新抗辐照机制。这种重新的析出回溶动态过程就像用抹布抹去桌面的脏东西，是一种新型的抗辐照机制。研发的材料在超高剂量可达到2350dpa，在500摄氏度下屈服强度仍然拥有1个GPa，目前这一实验仍然在进行的过程中。这种新的抗辐照机制有望解决核电极端环境下多种性能难以兼得的难题，实现“鱼和 熊掌”的兼得。我们的工作成果发表后，同行也在Nature Materials上进行了表述，认为我们的工作“不仅激发了人们重新审视传统抗辐照策略，而且为领域基础研究发展新一代核反应堆结构材料研发提供了前进的道路。”

　　电解水制取绿氢是实现碳中和目标的关键技术。但是因为金属催化剂活性偏低、电能消耗大，稳定性差，工作电流密度比较低，而且只能用贵金属，导致成本非常高。降低成本的关键是要研发高活性、稳定性高的低成本金属催化剂。活性需要电子交换，而稳定性不能有电子交换，这一矛盾怎么解决？我们就利用高熵效应来提升本征活性。鉴于我们的工作，我认为材料的一体化、极限化是金属材料学科最难啃的硬骨头、最难以逾越的高峰，只有通过创新材料的研发模式来做工作，但我坚信仍有提升的空间。（根据“中国材料大会 2022-2023”报告整理，未经审核）

　　吕昭平

　　北京科技大学党委常委、副校长、教授、博士生导师，中国科学技术协会常委、党组成员（挂职）、书记处书记（挂职），北京科技大学新金属材料国家重点实验室主任，新金属国家重点实验室合金设计与模拟梯队负责人，国家杰出青年科学基金获得者。