高端装备、新能源产业是支撑制造强国、碳中和战略的基石，金属材料作为装备核心骨架，轻量化、长寿命和低碳化已成为刚性需求。新能源汽车、航空发动机、核电装置及重型燃气轮机都对结构金属提出同步高强、高韧、耐低温、抗疲劳的综合需求。传统均质合金依靠添加贵金属、提升合金化程度实现强化，不仅加剧矿产资源消耗，也增加冶金碳排放，与低碳发展路线相悖。当前，全球各国纷纷布局新一代结构材料研发，试图以微观结构调控替代高成本合金配方，为轻量化降碳和高端装备自主化寻找底层材料解决方案。

中国科学院金属研究所卢磊研究员在中国工程院Engineering集群分刊ENGINEERING Transformative Materials发表题为“High Performance of Metallic Materials with Ordering Units”的观点文章，提出“多尺度基元有序化”设计范式，通过精准调控金属中异质微结构基元的空间排布，实现强度与塑性等互斥性能的协同提升，为新一代高性能金属材料提供新理论框架。

图1.摘要图

现实困局：性能制衡的产业卡点

金属材料固有的强度-塑性倒置矛盾，长期制约着高端装备的性能升级。传统依靠合金化与组织均质化的材料设计策略，仅能实现性能的线性提升，很难同时兼顾高强、高韧、抗低温等多重需求。单纯添加合金元素不仅提升成本、加重资源消耗，也难以从根本上破解性能互斥难题。同时现有材料理论大多建立在均质连续介质假设之上，缺少针对多尺度异质组织的完整设计体系，使得极端工况用金属材料的开发只能依靠反复试错，研发周期长、可预测性差，成为制约部分高端构件国产化的内在技术瓶颈。

基元有序化实现“1+1>2”协同增益

作者提出“多尺度基元有序化—性能变革”新范式，跳出均质化传统思路，以晶粒、孪晶、位错胞作为复合微结构基元，精准设计跨尺度空间梯度排布，彻底打破性能线性制衡的局限。该研究以梯度纳米孪晶铜、梯度位错胞高熵合金、梯度位错胞不锈钢完成多体系验证：梯度有序结构可同步提升屈服强度与塑性，低温下还能获得超高应变硬化能力，综合性能超越全部单一微观组织，实现“1+1>2”协同强化效应。变形机理上，梯度结构诱导高密度原子层错与纳米镶嵌块亚结构，通过跨尺度界面耦合协调塑性变形，从微观机制层面解决强度-塑性互斥难题，为高端合金提供了一条无/少贵金属轻量化设计新路径。

图2.基于“高性能金属材料与梯度有序基元”新范式的金属材料研究框架。目的是建立金属材料梯度有序基元的设计准则。以传统晶粒和各种缺陷为组合单元，通过跨尺度、多层次调节由不同有序结构模式和关键有序结构参数组成的微观结构。最终目标是显著提高金属材料的综合性能。

图3.梯度位错胞结构合金中的新型变形机制。在293 K、40%应变下，整个晶粒内部存在高密度的层错（SF）束（图A），同一(111)晶面上存在高密度平行层错（图B）；在77 K、40%应变下，晶粒内部形成大量纳米镶嵌块（图C），以及一个典型的尺寸约10纳米的微小镶嵌块实例（以红色虚线勾勒），其中不同滑移面上包含原子尺度的层错（图D）。图3B和图3D中的白线代表层错和孪晶界。

筑牢材料自主创新底座

该基元有序化范式兼具理论意义与工程应用价值。在理论层面，跳出了均质材料传统框架，完善了异质梯度金属的研究逻辑，补足高性能金属原创理论的短板。在工程层面，以形变调控提升性能，降低对稀有合金元素的依赖，契合低碳制造需求。该范式可服务于航空、能源等极端工况构件，减少材料研发试错成本，也为新型金属逆向设计提供新思路，助推高端装备材料自主创新。（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/etm/EN/10.2738/ENGTM.2026.0004