什么是異質結構(HS)材料呢？有哪些性能

異質結構(HS)材料是一類新型材料，由具有顯著不同(>100%)機械或物理特性的異質區(qū)域組成。這些異質區(qū)域之間的交互耦合產(chǎn)生了協(xié)同效應，其中綜合特性超過了混合規(guī)則的預測。HS材料具有傳統(tǒng)均質材料無法實現(xiàn)的卓越機械或物理性能。

日前，國際頂級期刊“Progress in Materials Science”報道了香港城市大學朱運田教授和中科院力學所武曉雷合作的“Heterostructured materials”一文。

本綜述主要關注異質結構材料，其卓越的機械性能是由新機制實現(xiàn)的：異形變形誘導(HDI)強化和異質變形誘導（HDI）加工硬化。

軟區(qū)中的幾何必要位錯(GND)在區(qū)域邊界附近堆積和積累，在軟區(qū)產(chǎn)生背應力，在硬區(qū)產(chǎn)生正應力，共同產(chǎn)生HDI應力。HS材料具有獨特的變形行為：形成分散的微觀應變帶，有助于將塑性應變分布在整個標距長度上，從而提高均勻伸長率。

它們可以很容易地使用傳統(tǒng)的工業(yè)技術和設施以大規(guī)模和低成本生產(chǎn)。優(yōu)異的性能、新材料科學和巨大的應用潛力正在推動HS材料領域的快速發(fā)展。這篇綜述旨在向學生和研究人員介紹這一新興領域，并作為HS材料參考。

異質結構(HS)材料在自然界中普遍存在，并已被用于多種類型的人造結構和部件中，盡管直到最近科學家們還沒有很好地定義或系統(tǒng)地研究HS材料作為一類材料。

HS材料比均質材料表現(xiàn)出更優(yōu)越的功能和機械性能，這就是為什么它們被自然進化選擇并經(jīng)常被人類探索的原因。在這篇評論文章中，我們將主要關注結構HS材料的機械性能，盡管也將簡要討論一些功能性能。

HS材料因其優(yōu)越的性能和巨大的應用潛力而迅速成為一個主要的研究領域。例如，據(jù)報道，異質片層鈦具有納米結構鈦的高強度和粗晶鈦的良好延展性，根據(jù)我們的傳統(tǒng)教科書和文獻知識，這是不可能的性能組合。

更重要的是，這種異質結構可以使用現(xiàn)有的工業(yè)設施以低成本制造，這使得它們的商業(yè)化比其他先進材料更容易。

看來，我們對材料科學的傳統(tǒng)理解往往不足以解釋HS材料的機械行為，在我們設計具有優(yōu)異性能的HS材料之前，還有許多科學問題需要解決。例如，異質結構鈦通過冷變形加工，然后進行部分再結晶退火。冷變形產(chǎn)生了具有高強度但低延展性的納米結構。

退火降低了整體位錯密度并產(chǎn)生了一些大的微米級晶粒，根據(jù)我們的傳統(tǒng)教導，這兩者都應該降低強度。然而，異質結構的鈦在退火后仍保持高強度，與傳統(tǒng)的材料科學背道而馳。

它將需要來自材料科學、力學和計算建模等領域的研究人員的共同努力，以解決一些高熱材料的基本問題。換句話說，HS材料領域代表了科學家探索的新前沿，在現(xiàn)實世界的應用中具有非常大的潛力。這也是為什么它迅速吸引了全球眾多知名研究團體加入這一研究領域的原因。

本綜述的目的是向材料研究界介紹HS材料，特別是異質結構材料的定義、它們的基本原理、加工技術、微觀結構、性能和潛在應用。本文的目標讀者是在該領域工作的研究生、正在進入這一新興研究領域的研究人員，以及已經(jīng)在研究異質結構材料的科學家和工程師。討論異質結構材料的歷史視角、范圍和定義。

異質結構（HS）材料是一類材料，不僅為基礎研究奠定了科學基礎，而且具有快速工業(yè)應用的巨大潛力。新材料的商業(yè)化和實際應用往往受到以下兩個關鍵因素的阻礙。第一個因素是大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)技術的可擴展性。這通常需要廣泛的研究和開發(fā)。將新技術從實驗室擴大到商業(yè)生產(chǎn)通常需要很長時間，而且成本非常高。

在實驗室中運作良好的東西可能無法大規(guī)模運作，或者可能無法始終如一地運作以輕松控制商業(yè)產(chǎn)品的質量。第二個因素是成本，其中包括購買和安裝生產(chǎn)設施的成本以及生產(chǎn)產(chǎn)品本身的成本。開發(fā)新材料以啟用新技術或替代現(xiàn)有材料。

現(xiàn)有材料的更換對汽車等民用產(chǎn)品的成本特別敏感。一項新技術的商業(yè)化規(guī)模擴大通常處于研發(fā)階段，此時基礎研究的公共資金正在枯竭，而該技術還不夠成熟，無法從營利性公司吸引足夠的私人資金用于商業(yè)化。因此，該技術在無法獲得足夠的資金來維持其研發(fā)活動的情況下就消亡了。有前途的技術在這個階段經(jīng)常死去，被稱為技術“valley of death”開發(fā)新材料以啟用新技術或替代現(xiàn)有材料?，F(xiàn)有材料的更換對汽車等民用產(chǎn)品的成本特別敏感。

HS材料的最大優(yōu)勢之一是它們可以通過當前的工業(yè)技術和設施生產(chǎn)，這消除了它們商業(yè)化的任何技術障礙。它還避免了前期的巨額資本投資。采用當前的工業(yè)技術和設施使得以低成本生產(chǎn)HS材料非常經(jīng)濟，這使得它們與現(xiàn)有材料相比具有競爭力。

例如，HS鋼可以在鋼廠使用當前的工業(yè)軋制和退火工藝進行加工，這可能會為汽車等制造業(yè)開發(fā)一系列新的高性能和低成本鋼。事實上，常見的工業(yè)熱機械技術和設備，如鍛造、軋制、擠壓、拉拔、和熱處理都可以用來加工HS金屬和合金。正是這種工業(yè)應用潛力使HS材料具有長久的使用壽命。

作為一個新材料領域，有許多已知和未知的基礎和工程問題有待解決，這為材料界提供了豐富的研究機會。

一種新的科學原理，異質變形誘導(HDI)強化和HDI硬化，是HS材料優(yōu)異機械性能的原因，這是決定其機械性能的主要因素。HDI強化和HDI硬化增加了傳統(tǒng)的基于位錯的強化和硬化，以提供額外的強度和延展性增強。下面我們將討論HS材料領域迄今為止已知的科學和工程問題。

第一個問題是幾何必要位錯(GND)與區(qū)域邊界的相互作用，以產(chǎn)生異質變形誘發(fā)(HDI)應力。從邏輯上講，當GND陣列滑向區(qū)域邊界時，它們可能會停在邊界前面、傳輸穿過邊界、推入邊界或從邊界反射。他們也可能會交叉滑倒以逃離堆積。這些情景將決定產(chǎn)生HDI強化和硬化的有效性。這些情況的發(fā)生將受到材料的固有特性（如層錯能和晶體結構）以及區(qū)域邊界結構和取向錯誤、跨界強度差異、跨界晶體結構差異等微觀結構特征的影響。ETC

GND對區(qū)域邊界的堆積是在軟區(qū)產(chǎn)生背應力和在硬區(qū)產(chǎn)生正向應力的最有效方式，從而產(chǎn)生高HDI應力。堆垛層錯能量(SFE)應該會影響GND堆積。低SFE促進平面位錯滑移，使GND更容易堆積，而高SFE使GND更容易交叉滑移，避免長時間堆積。

因此，可以推斷SFE會影響HDI應力的發(fā)展和HDI硬化。這需要系統(tǒng)的研究。在銅青銅層狀結構的原位TEM研究中觀察到GND被推入?yún)^(qū)域邊界并被邊界吸收的情況。區(qū)域邊界對GND的吸收和傳輸在邏輯上將導致堆中GND數(shù)量的飽和。這些需要進行研究，以便我們了解高密度脂蛋白的演變和高熱材料的機械行為。其他未知的GND-zone邊界相互作用也可能存在，這將在未來被發(fā)現(xiàn)。

第二個問題是分散剪切帶的成核和生長機制，以及它們與GND堆積的關系。迄今為止，在幾乎所有報道的HS材料中都觀察到了高度分散的應變帶。HS材料將塑性變形分布在更長的標距長度上，以延遲主要應變局部化的形成，從而使樣品失效，這是一種有效的方法。探索局部應變帶的成核和生長機制至關重要。一種假設是局部應變帶的成核與一個或多個GND堆積有關，但這還有待實驗驗證。這對于理解HS材料的變形機制至關重要。此外，懷疑局部應變帶最有可能是剪切帶，即由局部剪切應變引起，

第三是計算研究，結合實驗研究，探索GND與區(qū)域邊界的相互作用，然后需要分析建模來推導方程，以預測最佳的異質區(qū)域尺寸、幾何形狀和分布，以獲得最佳的強度-延性組合。迄今為止報道的異質結構材料主要是通過試錯法制成的。盡管我們已經(jīng)對如何設計HS材料有了一些基本的想法，正如上一節(jié)所討論的，但我們仍然對HS材料的了解不足以定量設計異質結構。最終目標是使用其組成和所需的異質結構設計HS材料，以獲得最佳的機械或物理性能。

第四個問題是結合不同的異質結構來開發(fā)雙異質結構或三重異質結構，并將異質結構與常規(guī)增韌機制如相變誘導塑性（TRIP）、孿晶誘導塑性（TWIP）或變形孿晶等協(xié)同耦合。應變硬化機制在不同的應變階段依次激活，它可以在非常高的拉伸應變下保持高應變硬化率，即產(chǎn)生非常高的延展性。在異質結構高熵合金中報道了多應變硬化(SMSH)策略的順序激活，這是該方向和超細晶粒材料的首次成功嘗試。HS結構之間以及與其他傳統(tǒng)增韌機制之間存在無限可能的組合，這為HS材料提供了廣闊的設計空間。

第五個問題是異質結構可控性好、可擴展性好、加工成本低的加工技術的發(fā)展。這對于異質結構材料的實際商業(yè)應用至關重要。





審核編輯：劉清