近日，上海交通大学材料科学与工程学院孙宝德院士团队在《Journal of Materials Research and Technology》上发表题为“Nonmonotonic effects and trifactorial mechanism of rare-earth elements during solidification of advanced structural alloys: a review”的综述论文，系统梳理稀土元素在先进结构合金凝固过程中的作用规律，创新性提出稀土原子‑稀土原子团簇‑稀土第二相三因素作用机制，破解长期以来稀土合金化研究中的认知瓶颈，为航空航天、能源石化等领域关键构件的稀土合金设计提供重要理论支撑。论文第一作者为博士生朱鑫，通讯作者为康茂东副研究员、王俊教授。

该文章系统梳理了稀土元素在先进结构合金凝固过程中七个相互关联的核心作用：净化熔体、夹杂物改性、改变熔体结构，影响基体形核与长大、元素微观偏析、一次析出相形成，以及控制凝固缺陷。作者指出，这七个作用并非彼此孤立，而是深度关联，共同构成完整的系统性认知框架。值得注意的是，稀土元素的作用效果并非单调递增或递减，而是呈现典型的非单调性，这一现象来源于多重机制之间的动态竞争与协同。

适量稀土添加可细化晶粒、改善夹杂物与析出相、抑制微观偏析和凝固缺陷，但过量添加反而会恶化凝固组织。这种“过犹不及”的规律体现上述各类凝固行为之中，深刻反映了稀土合金化设计的复杂性和调控难度。

图1 稀土元素在合金凝固过程中的作用及其作用机制总框架

该综述最具原创性的贡献在于，首次明确指出稀土元素在合金中以三种形态存在：稀土原子、稀土原子团簇和稀土第二相，并基于此提出稀土合金化的“三因素机制”。长期以来，学界普遍认为稀土元素以原子和第二相两种形式存在，但该综述强调，稀土原子团簇作为介于原子与第二相之间的亚稳态微聚集体，在合金体系（尤其合金熔体）中广泛存在。这些团簇具有独特的热稳定性、局域极化和磁矩等物化性质，对凝固行为的影响不可忽视，但目前相关研究严重不足。作者认为，稀土原子、稀土原子团簇、稀土第二相三者的本征属性，共同构成了稀土调控合金凝固行为的内在机制基础。现阶段，上述本征属性仍有待深入挖掘；开展稀土合金相关研究时，应重点厘清并充分发挥这些本征属性的作用。此外，“三因素机制”的适用范围并不局限于合金凝固领域，还可延伸至合金热处理、热机械加工、表面改性等工艺过程，从而为更广泛领域内的稀土合金化工作提供理论支撑。

图2 稀土元素的三因素作用机制

围绕稀土合金化未来发展，该综述凝练出六大亟待开展的重点研究方向：

1.优先深化熔体结构演变、凝固缺陷调控相关研究；

2.建立稀土添加量与合金目标性能之间完备的映射关联，为各类合金体系界定稀土最佳添加区间；

3.将“三因素机制”拓展到热处理、热机械加工、表面改性等更多工艺过程；

4.推动不同稀土合金体系之间研究成果与经验的交叉借鉴；

5.挖掘多元稀土复合添加所产生的非加和效应及其内在机理；

6.定量解析稀土各作用或各机制之间的矛盾与主次关系，赋能智能稀土合金化技术的发展与工程应用。

该项研究工作获先进材料国家科技重大专项、国家自然科学基金、上海浦江人才计划资助。

论文信息

文章标题：Nonmonotonic effects and trifactorial mechanism of rare-earth elements during solidification of advanced structural alloys: a review

期刊：《Journal of Materials Research and Technology》

原网址：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2026.08.274.

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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