李凯博士有金属材料的微结构表征方面的多年的工作基础，在高水平国际杂志如Scripta Mater., Acta Mater., Mater. Charact.上共发表相关SCI论文24篇（其中作为第一作者6篇，通讯作者6篇，共12篇），中文核心论文5篇。现担任Mater. Charact., Philos. Mag. Lett., Mater. Express等国际期刊和《中国材料进展》等中文核心期刊的审稿人。前期的研究工作中，分别在铝合金析出相结构的透射电子显微表征、铝合金第二相力学性能的测定、透射电子显微研究与第一性原理计算及相图热力学计算的耦合、结构性能相关性、透射电镜原位力学实验五个方面，分别取得了一些重要的进展：
（1）在铝合金析出相结构的透射电子显微表征方面：
i. 发展了一种精确快速模拟复杂选区电子衍射的方法，用于鉴定纳米析出相
李凯等通过考虑析出相与基体的位向关系和惯习面，以及高阶衍射和二次衍射等，建立了一种精确模拟及标定选区电子衍射谱的方法，可用于鉴定铝合金中存在的各种析出相如β"、Q，模拟结果与实验结果精确吻合。研究结果已发表于国际知名期刊Mater. Charact.62 (2011) 894-903。该方法得到了广泛应用，系列研究成果已发表于国际知名期刊，如合作论文Scripta Mater. 72-73 (2014) 21-24、Acta Mater. 82 (2015) 224-233、J. Mater. Sci. 47 (2012) 5419-5427，以及李凯的一作论文Arch. Metall. Mater. 57 (2012) 457-467等。
图1Al-Mg-Si峰时效合金中β"与α-Al基体的(a)复合实验SAED图谱及(b)前人的模拟结果,相比之下(c)李凯的模拟结果更为准确。
ii. 采用HAADF等技术确定了Al-Mg-Si-Cu合金中β"相的原子尺度结构
李凯等通过结合3DAP以及高角环形暗场成像（HAADF）等技术对Al-Mg-Si(-Cu)合金中β"相（一般认为成分为Mg5Si6）的原子尺度结构进行了系统的研究，证明了Cu原子对β"相结构模型中Si3原子位置的优先替代。这一研究果确定了Cu对Al-Mg-Si合金时效强化过程中β"析出相结构和成分的影响规律，对于Al-Mg-Si合金的成分设计和时效工艺优化具有重要意义，研究成果已发表于国际知名期刊Scripta Mater. 75 (2014) 86–89。
图2 根据HAADF图建立的含Cu的β"析出相的原子模型。无Cu合金中的Mg5Si6原子模型置于图左作为对比。
iii. 探究透射电镜电子辐照损伤对Al-Mg-Si合金的影响
团队研究生陈皓楠等通过降低透射电镜的加速电压至80 kV的方法，降低电子辐照损伤，在保证分辨率的情况下，使得Al-Mg-Si合金的析出相结构β"可以在透射电镜中进行长时间观察而不被破坏，为后续的原位力学实验和原子级结构表征的准确性打下基础。通过研究还发现在200 kV下β"容易被电子束损伤的主因是电子束轰出原子创造空位，从而促进扩散及界面移动。目前，该研究成果发表于国际期刊Micron 116 (2019) 116–123。
图3 β"相的在不同电压下稳定性的研究。（a）、（b）、（c）一个析出相β"在80kV不同剂量下的高分辨透射图片 ；（d）、（e）、（f）另一个析出相β"在200kV不同剂量下的高分辨透射图片。
iv. 构建了一种定量测量析出相数密度和体积分数的方法
李凯等基于会聚束电子衍射(Convergent Beam Electron Diffraction)构建了一种快速简便、在绝大多数透射电镜上可实施的测量纳米析出相数密度和体积分数的精准方法（见图4），其体积分数相对误差小于16%，所测数密度与3DAP结果之偏差小于5%。研究结果发表于国际知名期刊Mater. Charact.118(2016)352-62。
图4 测量析出相体积分数的过程。(a) 统计析出相长度及截面积；(b) 统计某一微区颗粒个数及微区面积；(c-d) 使用CBED测量该微区的厚度。
（2）在铝合金第二相力学性能的测定方面：
v. 实验测定了微米级α-AlFeSi和β-AlFeSi相的硬度和弹性模量
团队研究生兰新月等通过相图计算确定成分和定向凝固，获得了大粒径（大于500微米）的α-AlFeSi和β-AlFeSi相，进而在实验上测得两者的硬度和弹性模量。对比两种物相的力学性能，发现β-AlFeSi相降低合金性能的主要原因是其针状的外形。目前该研究成果发表于国际知名期刊J. Alloy. Compd. 784 (2019) 68-75。
图5 得到大尺寸单相颗粒及其力学性能的过程。（a）利用相图数据库计算出β-AlFeSi相所在的相区；（b）通过定向凝固方法获得大面积的β-AlFeSi相；（c）利用纳米压痕的方法测得β-AlFeSi相的力学性能。
（3）在透射电子显微研究与第一性原理计算、相图热力学计算的耦合方面：
vi. 获得Al-Mg-Si-Cu合金中含Cu的GP区模型结构
团队研究生刘丝靓等基于实验结果得出了Al-Mg-Si-Cu的早期析出相G.P.区的结构，发现加入的Cu会取代Si原子在G.P.区结构中的位置，并且通过第一性原理计算对这些替代现象引发的体系能量变化进行了研究，计算结果显示这些替代现象符合能量最低原理。研究结果已发表于国际知名期刊J. Alloy. Compd. 745(2018) 645-50。
图6 Al-Mg-Si-Cu合金中G.P.区的原子模型Mg1(Si,Cu)1。图左显示高分辨TEM图中G.P.区的不均匀衬度。
vii. 结合SEM、TEM及热力学模拟定量表征了Al-Mg-Si-Cu合金的凝固结构
李凯等结合SEM、选区电子衍射、HRTEM及其图像模拟（见图7）对Al-Mg-Si-Cu合金的凝固结构进行了定量表征，并基于李凯所在研究组构建的铝合金热力学数据库对凝固结构进行了热力学模拟（见图8），模拟微结构参数与实测参数较好地吻合，研究结果发表于J. Alloy. Compd. 602 (2014) 312-321。此外李凯等还对铝合金体系下属Si-Sr二元系的相图进行了热力学优化，成果发表于CALPHAD 35 (2011) 594-300。以上研究积累的热力学计算、HRTEM研究及其图像模拟奠定了基础。
图7 Al-Mg-Si-Cu合金凝固结构中Q相的(a)TEM明场像 (b)HRTEM照片及其模拟, 电子入射方向为[012]Q。
图8 热力学模拟的凝固过程。
viii. 利用相图计算设计出一款新型高性能合金
团队研究生鲁强等通过相图计算优化合金成分以及工艺的设计，成功设计出了一款合金。该合金在固溶后屈服强度极低，为72.15 MPa，延伸率达33%，全面优于6016及6063合金，非常适合加工成复杂形状，烤漆时效30 min时效后屈服强度为272.95 MPa，与6013合金持平。该合金非常适合汽车车身板、手机及笔记本电脑外壳的生产。该研究成果目前已提交发明专利申请，等待授权。
图9 所设计的合金性能与微结构。（a）合金力学性能及其表征：（a）合金抗拉强度（δb）、屈服强度（δ0.2）以及延伸率随时效保温时间变化趋势；（b）样品在喷漆时效30min后的高分辨图片及对应衍射图片（黄色箭头指示GP区衍射斑，红色箭头指示β"衍射斑）。
（4）在结构性能相关性研究方面：
ix. 研究了冲压成型对于铝合金中时效析出相析出速率、析出序列的影响。
团队研究生杨明军等根据汽车车身板生产工艺，对Al-Mg-Si-Cu合金板材进行了热处理工艺的优化，发现各方面的性能均达到汽车板材的标准；在Al-Mg-Si-Cu合金预时效及烤漆时效处理之间加入冲压成型后，发现合金耐蚀性提高、总延伸率及时效硬化效果提升，相变速率加快，但不改变析出序列。研究结果对汽车外板生产工艺有直接指导意义。论文发表于J. Mater. Sci. 52 (2017) 5569–5581。该工作在2016年6月第15届国际铝合金大会（ICAA）上获得最佳学术海报奖。
图10 不同工艺条件下合金选区电子衍射谱。反映了其析出相种类的演变。