導(dǎo)讀：異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料(HSM)的研究回答了冶金領(lǐng)域最緊迫的問題之一：“是否有可能同時大幅提高強度和加工硬化，以避免延展性不可避免損失？”。從具有顯著不同流動應(yīng)力的區(qū)域的變形模式之間的協(xié)同作用來看，低層錯能(SFE)合金可以解決它們在強度和延展性之間的典型權(quán)衡問題。本文回顧了通過不同加工方法獲得的HSSS的所有微觀結(jié)構(gòu)方面及其與晶體結(jié)構(gòu)和機械、腐蝕、生物和磁特性等性能的相關(guān)性。在變形機制、微觀結(jié)構(gòu)和紋理特征方面也提出了實驗和建模結(jié)果之間的關(guān)鍵比較。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料HSM的一個重要價值是可以組合不同的屬性以確保其多功能用途。HS微結(jié)構(gòu)可以克服的強度與延展性權(quán)衡的降低也可以與不同于機械性能的性能相結(jié)合。一些例子是具有卓越機械性能的抗菌、耐腐蝕、磁性或生物相容性合金的設(shè)計。此外，HSM的異質(zhì)性允許探索許多途徑，例如異質(zhì)晶粒尺寸、缺陷密度、晶體結(jié)構(gòu)，以及化學(xué)、磁性、電化學(xué)、電、熱和生物等差異。不同性能的出色組合使HSM有望替代多種傳統(tǒng)材料。HSM的一些當(dāng)前和潛在應(yīng)用包括生物安全、骨科、牙科、食品加工、汽車、航空、建筑、光電子學(xué)、生物力學(xué)、摩擦學(xué)、能量轉(zhuǎn)換設(shè)備、磁存儲、日常設(shè)備等，它們可以結(jié)合它們的具有尖端的機械性能的特性，延長其使用壽命。各種仿生設(shè)計也證明了異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效性，例如木和竹莖、馬蹄、牙齒、骨頭、貝殼等中的梯度微結(jié)構(gòu)。此外，使用人造HSM并不是一個新趨勢。由印度鋼制成的著名大馬士革刀片（5世紀(jì)至19世紀(jì)）和古老的日本刀（1000多年前）具有硬刃的軟核是異質(zhì)結(jié)構(gòu)強韌材料的例子。

在此，香港城市大學(xué)、埃及坦塔大學(xué)、圣卡洛斯聯(lián)邦大學(xué)、瓦倫西亞理工大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)等11所頂級材料研究機構(gòu)將HSSS中的加工-微觀結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系作為重點，討論了HSSS的多學(xué)科視角。不銹鋼(SS)是一種低SFE材料，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)、生物醫(yī)學(xué)、生物安全、食品加工和日常應(yīng)用。將其耐腐蝕性和生物相容性與HSM的出色機械性能相結(jié)合的可能性，可以將SS轉(zhuǎn)變?yōu)榈统杀竞透咝冗M材料的有希望的選擇。該綜述將作為理解和設(shè)計新型多功能HSSS的參考。相關(guān)研究成果以題“Heterostructured stainless steel: Properties, current trends, and future perspectives”發(fā)表在材料著名期刊Materials Science and Engineering: R: Reports上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X22000304

異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料(HSM)構(gòu)成了一個有前途的快速新興領(lǐng)域，可通過具有成本效益的途徑提高機械性能。圖1顯示了開發(fā)異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的高度增長趨勢。雖然HSM不是改善金屬材料機械性能的唯一方法，但它們?yōu)榧{米結(jié)構(gòu)材料中的一個苛刻問題提供了創(chuàng)造性的答案：“是否有可能同時大幅增加強度和應(yīng)變硬化以避免不可避免的延展性損失？”通過表面納米化形成梯度結(jié)構(gòu)，科學(xué)界注意到了一種有趣的長程應(yīng)力組合，可以增強材料并在應(yīng)變時保持良好的延展性。對他們的物理學(xué)進行系統(tǒng)研究的動機是了解這些有希望的結(jié)果。目前，HSMs具有多種優(yōu)勢，尤其是強度和延展性的尖端組合。

圖1 Scopus數(shù)據(jù)庫中以“不銹鋼”和“異質(zhì)結(jié)構(gòu)”為關(guān)鍵詞的科學(xué)論文的收錄趨勢。

雖然異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計并不是提高金屬材料力學(xué)性能的唯一途徑，但它是目前最有前途的工業(yè)用途。與納米(NG)/超細(xì)(UFG)和粗粒(CG)材料相比，隨著異質(zhì)結(jié)構(gòu)的獲得，強度和延展性之間的權(quán)衡大大降低。圖2顯示了HSM的主要分類，本綜述將遵循這些分類：異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)(HLS)、梯度結(jié)構(gòu)(GS)、層狀結(jié)構(gòu)(LS)、多相結(jié)構(gòu)、諧波結(jié)構(gòu)和多模態(tài)結(jié)構(gòu)。此外，每個HSM的特征微觀結(jié)構(gòu)特征和主要獲得過程也如圖2所示。4HSM的微觀結(jié)構(gòu)特征，5晶體織構(gòu)，6機械性能，7腐蝕敏感性，8其他感興趣的特性將在每個分類中描述。

圖2 納米晶(NG)/超細(xì)(UFG)、粗(CG)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)(HS)不銹鋼之間的屈服強度和均勻伸長率比較；梯度結(jié)構(gòu)、多相結(jié)構(gòu)、異質(zhì)片層結(jié)構(gòu)、諧波結(jié)構(gòu)、多峰結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)，以及各類HS材料（HSMs）的主要加工工藝。

對于HSM，具有低SFE以獲得最寬的堆垛層錯和最高的加工硬化是很方便的。以304SS作為參考，高含量的Cr和Ni估計將SFE降低到16.8 mJ m-2，這遠(yuǎn)低于其他材料報道的Ni(150 mJ m-2)、Cu(80 mJ m 2)，或Al(200 mJ m 2)。如圖6所示，在SS（低SFE）中，位錯解離并形成堆垛層錯，而不是形成位錯單元，從而形成GND堆積。將在樁頭處獲得等于nτa的應(yīng)力集中，其中n是樁中GND的數(shù)量，τa是施加的剪應(yīng)力。對于晶粒尺寸相對均勻的均質(zhì)SS，軟硬共存區(qū)之間的流動應(yīng)力(σs)相似（σsA σsB，來自圖6），應(yīng)力集中可能會推動前導(dǎo)位錯穿過晶粒傳遞邊界。在這種情況下，遠(yuǎn)距離應(yīng)力（前后）的產(chǎn)生將被削弱，這就是圖6中黑色實線表示的無效應(yīng)力的原因。

圖6 典型的位錯行為及其對高（藍(lán)色虛線）和低（綠色虛線）堆垛層錯能(SFE)粗晶材料以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料（紅色線）具有固有的低SFE。σs表示在微觀結(jié)構(gòu)中共存的A區(qū)和B區(qū)的流動應(yīng)力。τa是施加的剪切應(yīng)力，n是堆積中幾何必要位錯(GND)的數(shù)量，nτa是應(yīng)力集中。

圖7促進異質(zhì)結(jié)構(gòu)(HS)不銹鋼(SS)發(fā)生異質(zhì)變形誘導(dǎo)(HDI)強化的微觀結(jié)構(gòu)特征總結(jié)。（a）HS材料（HSM）的獨特特征和（b）典型的機械行為。σs是硬區(qū)或軟區(qū)的流動應(yīng)力。SFE是堆垛層錯能量。σ、ε、σr和σu是拉伸試驗中的強度、應(yīng)變、再加載期間的屈服強度和卸載期間的屈服強度。Ip和f是軟區(qū)或硬區(qū)的固有特性和體積分?jǐn)?shù)。

圖8 316 L不銹鋼(SS)的顯微組織演變圖，(a)粗加工狀態(tài)，(b)85%冷軋(CR)后，(c-e)85%CR+ 750 °C退火10 min后的異質(zhì)結(jié)構(gòu),(f)85%CR+ 750 °C退火25 min后的完全再結(jié)晶。(d)表示在HS316 LSS區(qū)域邊界形成的GND堆積和(e)電子顯微鏡觀察上述試樣，(g-h)在不同退火時間和溫度下的晶粒尺寸演變。

圖9 (a)梯度結(jié)構(gòu)(GS)不銹鋼(SS)的典型顯微組織和特征以及(b-g)TEM顯微照片和來自301SS表層的SAED圖案的γ到bcc-α'相變示例由SMAT處理(b,c)1分鐘、(d,e)5分鐘和(f,g)10分鐘。

圖12 不銹鋼中典型的諧波微觀結(jié)構(gòu)由(a)多個晶粒的體積和(b)圍繞軟區(qū)的局部位錯網(wǎng)絡(luò)硬區(qū)構(gòu)成。(c)與具有相同化學(xué)成分的雙峰結(jié)構(gòu)和(a)中不同燒結(jié)條件的比較。(d)諧波結(jié)構(gòu)304 L不銹鋼(SS)的極限抗拉強度（0.2%屈服強度）和均勻伸長率對殼層分?jǐn)?shù)的依賴性。

圖14 深度相關(guān)的晶粒尺寸與孿晶間距結(jié)構(gòu)304不銹鋼(SS)之間的比較。(a)具有與深度相關(guān)的晶粒尺寸和孿晶密度的梯度結(jié)構(gòu)(GS)304SS的表示，以及(b)納米晶粒GS和(c)納米孿晶GS304不銹鋼的實驗和模擬應(yīng)力-應(yīng)變曲線之間的比較。

圖15 Cu/Nb(FCC/BCC)和Mg/Nb(HCP/BCC)層狀結(jié)構(gòu)(LS)材料的極圖。（a-b）通過累積滾壓粘結(jié)LS（左）中（a）Cu相和（b）Nb相的中子衍射測量的織構(gòu)極圖，單獨在典型滾壓織構(gòu)（中間）和沉積的納米復(fù)合材料（右）中。(c-d)層厚為50 nm的Mg/NbLS材料中(c)Mg相和(d)Nb相通過XRD測量的織構(gòu)極圖。在層厚為5nm的Mg/NbLS中，Mg和Nb相織構(gòu)與（c-d）中所示的相同。

圖16 (a)共晶60/40 at%成分的Ag/Cu材料的納米結(jié)構(gòu)，(b)具有Ag/Cu納米片層的單個中心菌落的掃描電子顯微鏡顯微照片，(c)Zr-2.5 wt%Nb分級的納米結(jié)構(gòu)材料，（d）由20nm厚的β-bccZr-Nb層隔開的~220nm的α-hcpZr層的透射電子顯微照片。

圖22 應(yīng)力比為0.1的軸向疲勞試驗后，諧波結(jié)構(gòu)304LSS試樣的(a)SEM圖像、(b)IPF圖和(c)諧波結(jié)構(gòu)。

對于一個完整的HSMs開發(fā)方案，傳播研究結(jié)果、交流思想和建立多學(xué)科合作是促進HSMs應(yīng)用的必要行動。目前已經(jīng)創(chuàng)建了一些討論異質(zhì)材料的論壇，例如在2016年和2019年礦物、金屬和材料學(xué)會(TMS)年會期間的“為優(yōu)越性能量身定制機械不相容性”、“異質(zhì)和梯度材料”和“異質(zhì)材料”專題討論會，以及2019年的Gordon研究會議。然而，快速發(fā)展的HSM領(lǐng)域需要一個專門討論該主題的專門論壇。為了滿足這一需求，第一屆異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料國際會議（HSMI）將于2022年7月舉行。同時，使用HSM的最新發(fā)現(xiàn)創(chuàng)建免費更新的教科書和數(shù)據(jù)庫可能會引發(fā)對這一新興領(lǐng)域的理解并激勵新一代年輕研究人員對其進行研究。考慮到新材料開發(fā)的最后一個目標(biāo)是它們的應(yīng)用，以解決實際的工業(yè)問題，創(chuàng)建工業(yè)論壇以利用和傳播HSM應(yīng)用的成本效益也是必要的。