随着科学技术的日新月异,传统金属结构材料的性能已难以满足实际应用的要求,材料的强度、塑性以及耐高温腐蚀、耐磨损等性能亟待提高,尤其服役于高温、高应力等复杂环境的结构材料,容易发生高温氧化或者塑性变形,以致损伤、失效。稀土元素以其具有的特殊性质,即使添加微量便可明显地改善材料组织和性能。因此,本文添加稀土至两种典型的金属结构材料(Ni-22Cr-14W-2Mo、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr),研究稀土元素对材料组织结构和性能的影响规律,探寻稀土元素的作用机理,旨在开辟改善金属结构材料组织、提高强度和疲劳寿命以及高温抗氧化性能的有效途径。将稀土La加入Ni-22Cr-14W-2Mo合金,考察了La在合金中的存在方式,研究了La对合金晶粒尺寸、碳化物及拉伸性能的影响规律。结果表明：微量的La(<0.026%)固溶于基体中；当La含量为0.026%时,由于La-S具有较高熔点和较低的形成能,La优先与S结合,形成弥散分布的质点,其可以成为初生碳化物M6C异质形核的核心,从而细化了M6C碳化物,提高了合金的塑性。La-S化合物可以促进初生M6C周围细小M6C的生成,细小M6C与基体保持半共格关系,提高了碳化物与基体的界面结合强度。含0.026%La合金具有最优的屈服强度和延伸率的综合力学性能。当La含量大于0.048%时,形成较多的La-Ni金属间化合物,反而造成合金力学性能下降。模拟Ni-22Cr-14W-4Mo合金实际使用条件,研究了稀土La对合金1173K-1373K温度范围内高温抗氧化能力的影响规律,探讨了La对合金氧化行为的改善机理。结果表明：1173K-1273K内,La对合金耐氧化性能的改善效果主要取决于其在合金中的固溶量。固溶的La在氧化过程中形成LaCrO3,其在氧化膜晶界处的偏聚阻碍了Mn2+、Cr3+的扩散,改变了离子的传质方式,以氧离子向内扩散为主；同时,LaCrO3可作为MnCr2O4异质形核的核心,生成的MnCr2O4晶粒细小而弥散的分布于Cr2O3之间,提高了氧化膜的粘附性。1373K下,合金的抗氧化能力大小不仅仅取决于固溶的La,亦取决于合金中La-Ni化合物的含量。固溶的La和La-Ni化合物在氧化过程中被氧化生成La2O3。一方面,La2O3在氧化膜晶界的偏聚阻碍了金属阳离子Cr3+、Mn2+向外扩散,提高了合金的抗氧化能力；另一方面,较多La-Ni化合物被氧化生成的La2O3又加剧了合金的氧化。研究了添加稀土氧化物Y2O3对Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金晶粒细化的影响,为了降低合金成本,亦研究了以TiB2替代Y2O3对合金组织细化的作用。结果表明：添加TiB2、 Y2O3均可以细化晶粒,但两者对晶粒细化的作用机制不同。高熔点的Y2V3弥散质点可以作为β相非均匀形核的核心,增加p相的形核率、细化β晶粒,p相的细化效果取决于弥散质点Y2O3的大小和分布。而添加TiB2合金在凝固时,基体β相首先从液相中形核析出,因此,后析出的第二相TiB不能成为p相非均匀形核的质点。一方面,由于B在合金中的固溶度很小,其始终富集在固-液相界面前沿,增大了成分过冷,增加了p相形核的驱动力,另一方面,固-液相界前沿过多的B富集阻碍了p相晶粒长大,从而细化了晶粒。因此,TiB2添加对合金晶粒细化的效果主要取决于B的量。研究了TiB2或Y2O3添加对Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金杨氏模量、拉伸性能及疲劳性能的影响。结果表明：添加TiB2或Y2O3均对Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金杨氏模量的影响不大。合金的拉伸性能虽然提高不明显,但合金的疲劳寿命有了显著改善,含0.10%Y合金的疲劳寿命提高了约64%,含0.10%B合金的疲劳寿命提高了约67%。合金的塑性随着TiB相的增多而逐渐降低,但Y2O3的添加并未造成Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金塑性的劣化。合金的疲劳寿命随着Y/B含量的增加先升高而后降低。一方面,Y2O3/TiB可以钉扎位错,阻碍位错的滑移,抑制裂纹的萌生,降低裂纹的扩展速率,改变裂纹扩展的方向,增加裂纹扩展的路径；另一方面,随着Y2O3/TiB的尺寸和体积分数的逐渐增加,位错在Y2O3/TiB与基体界面处的堆积导致应力集中,Y2O3/TiB断裂或者其与基体界面处产生微裂纹发展成主裂纹,微裂纹的产生亦为裂纹的扩展提供了优先路径,加速了裂纹的扩展。Y2O3/TiB对合金疲劳寿命的影响是上述两种作用综合的结果。研究表明：Ni-22Cr-14W-4Mo合金中,适宜La添加量在0.026%～0.048%之间；Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金中,适宜Y添加量为0.10%-0.20%之间。