導讀：近年來，在金屬材料領域出現了一種快速崛起的新型異質結構材料（HSMs），這種材料由于微觀組織、晶體結構和成分的不均勻性，由強度差異顯著的軟硬區域組成，可以有效打破傳統均質材料強度與塑性的倒置關系，本文綜述了不同加工方法制備的高強高模材料的非均勻變形機理、組織特征和力學性能。同時，從微觀應變/應力、損傷機制和關鍵異質結構參數等方面對協同強化效應的力學行為和影響因素進行了評價。本文旨在構建異質結構、微觀變形機制和宏觀力學性能之間的關系，為異質結構的優化設計提供有價值的參考，并對有待進一步研究的關鍵科學問題進行探討。

異質結構金屬材料（HSMs）是由具有顯著強度差異的軟硬區域構成的新型材料，其核心優勢在于通過異質變形誘導（HDI）強化和硬化效應，打破傳統均質材料強度與延展性的倒置關系。安徽工業大學、重慶大學和新加坡國立大學的團隊在本文中系統綜述了HSMs的定義、分類、異質變形理論，列舉了各類異質結構的制備方法、形成機制、優異力學性能及強化機制，分析了協同強化效應的影響因素與獨特力學行為，并提出了優化策略，同時梳理了相關本構模型及未來研究方向。

HSMs的變形機制體現為三個階段：彈性變形階段，軟硬區域均呈彈性狀態；彈性－塑性階段，軟區先發生塑性變形，硬區仍為彈性，界面處形成應變梯度，GNDs在軟區界面堆積產生背應力，硬區則產生正向應力，二者耦合形成HDI應力，提升屈服強度；塑性階段，軟硬區均塑性變形，軟區承受更高應變，應變分配效應促使更多GNDs積累，產生HDI硬化，使應變硬化率顯著提升。

HSMs包含多種類型，如異質層狀結構（HLS）、梯度結構（GS）、層狀結構（LS）等。HLS因軟硬區相互約束和應變分配，被視為理想異質結構；GS呈現晶粒尺寸等梯度變化，通過多機制協調提升整體性能；LS由相同或不同金屬層組成，界面清晰可控，適合基礎研究。這些結構通過調控域尺寸、分布、強度差異等參數，實現強度與延展性的優異協同。 

協同強化效應受域厚度、體積分數、強度差異等多因素影響，分散應變帶和應變傳遞是主要塑性調節機制，可緩解局部應變集中，延緩裂紋擴展。數值模擬方面，CPFEM能關聯微觀結構與宏觀性能，但仍需完善損傷模型、優化HCP材料本構模型等。未來需探索復雜應力狀態下的性能、改進模擬方法、深化基礎理論及拓展功能特性研究。

相關研究成果以“Microstructures, mechanical properties and deformation mechanism of heterogeneous metal materials: A review”發表在Journal of Materials Science & Technology上

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030225006334?via%3Dihub

圖1 （a）天然竹子由平行纖維組成，具有徑向密度梯度，嵌入蜂窩狀細胞的基質中。獨特的梯度結構，結合橫截面的中空管形態，增加了竹子的抗彎剛度，以抵抗嚴重的自然力。

（b）軟體動物外殼的結構：鮑魚殼的橫截面顯示出堅硬的外部方解石層和珍珠層內層。鮑魚珍珠層的斷裂表面顯示出拉出的片劑，其由嵌入有機基質中的文石（CaCO₃）納米晶體組成，如示意圖所示。

（c）用于過去房屋的干燥秸稈和泥漿，以及用于現代建筑和結構部件的水泥、礫石和鋼筋。

（d）納米顆粒（NG）/超細顆粒（UFG）/粗顆粒（CG）材料與異質結構材料（HSMs）的屈服強度（YS）和均勻延伸率（UE）的比較，以及不同HSMs的主要加工工藝。 

圖2 PubMed文獻數據庫近年來檢索到的高血壓相關論文的趨勢及地區分布。 

圖3 （a）三個變形階段（Ⅰ、Ⅱ、和Ⅲ）的HSMs（紅色應力－應變曲線）以及它們對位錯行為和區域邊界附近應力分布的影響示意圖。τ_a是施加的剪切應力。紅點代表位錯源。

（b）GND密度/應力隨距離區域邊界的分布。

（c）應變/應變梯度隨距離區域邊界的分布。

 

圖4 LUR曲線中的卸載－再加載回路圖及各點的物理意義：定義卸載屈服σ_u、再加載屈服σ_r、HDI應力σ_HDI、摩擦應力σ_f、粘性應力σ^*、E_u的有效卸載楊氏模量、E_r的有效再加載楊氏模量。

 

圖5 GND布置類型：（a）I型：GND堆積在邊界滑移面上。

（b）Ⅱ型：GND垂直排列以形成低角度晶界。

（c）I型和Ⅱ型混合型。

（d）透射電子顯微鏡（TEM）圖像顯示GND堆積在異質結構層Ti中（綠色線）。

（e）顯示SSD分布的HR-TEM圖像。

 

圖6 GND密度計算原理：（a）基于KAM的方法。

（b）基于位錯張量的方法，其中晶界以紅色突出顯示。

（c）基于上述兩種方法的GND密度分布。

 

圖7 TC11鈦合金中不同滑移系的單個GND密度。

 

圖8 （a1）純鈦部分再結晶后的反極圖（IPF）。

（a2）不同厚度樣品的工程應力－應變曲線和（a3）應變硬化率－真應變曲線。

（a4）HDI應力和流變應力隨應變增加的發展。

（b1）UFG純鋁層板在350℃退火5min后的IPF和極圖。

（b2）工程應力－應變曲線和（b3）不同退火時間樣品的應變硬化率－真應變曲線。

（c1）中錳鋼的EBSD相圖和IPF。

（c2）樣品與其他現有高強度金屬的拉伸性能比較。

 

圖9 （a1）SMGT制備的梯度結構（GS）Cu棒樣品的模型圖和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，晶粒尺寸從梯度納米晶（GNG）到CG。（a2）GNG，CG，和GNG/CG樣品。

（b1）GS IF的一個GS層中的模型圖和粒度分布－用SMAT方法加工的具有兩層GS層包裹CG芯的鋼板樣品。

（b2）NG、GS、GS/CG（b3）在不同拉伸應變下GS/CG樣品的GS層和CG芯中維氏顯微硬度（H）隨深度的增量（ΔH）變化。

（c1）循環動態扭轉GS Al0.1CoCrFeNi高熵合金的模型圖和局部TEM圖像。

（c2）單個Ⅰ區（T-Ⅰ試樣）、單個Ⅱ區（T-Ⅱ試樣）、單個Ⅲ區（T-Ⅲ試樣）和含有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區的T-Ⅰ試樣的真應力-應變曲線。

 

圖10 （a1）具有不同Ti層厚度的層狀結構（LS）Al/Ti/Al層壓板的SEM圖像。

（a2）IPF（用紅色矩形框標記）1.12mm Ti層厚的Al/Ti/Al層壓板。

（a3）Al/Ti/Al層壓板、單個Ti和單個Al的工程應力－應變曲線。（b1）LS銅/青銅層壓板的OM圖像（N2、N3、N5樣品）通過ARB處理2、3和5個循環并結合退火。

（b2）相應的ICCM圖像。（b3）N2、N3和N5樣品的工程應力－應變曲線。N3和N5樣品。

（c1）在300℃下退火30分鐘的LS純Al層壓板的IPF。

（c2）工程應力－在不同時間和溫度下退火的樣品的應變曲線。

（c3）定制純鋁層壓板與其他不同工藝處理的純鋁樣品之間的YS和UE比較。

 

圖11 （a1）93%液氮溫度軋制+200℃/3min退火獲得的雙峰結構（BS）Cu的TEM圖像。

（a2）不同加工狀態下樣品的工程應力－應變曲線。

（b）BS Cu及其合金的力學性能比較，NG/UFG Cu及其合金以及CG Cu。

（c1）粉末冶金制備的含75% UFG/25% CG的316L奧氏體不銹鋼的IPF。

（c2）CG區域用藍線表示，UFG區域用紅線表示相關晶粒尺寸分布。

（c3）真實應力－具有不同UFG/CG比率的BS樣品和單峰樣品的應變曲線。

 

圖12 （a1）諧波結構（HS）的3D形態。

（a2）通過PM制備HS材料的路線圖。

（b1）具有不同機械研磨（MM）時間（0-150h）的塊狀FeMnCoCr HEA樣品的IPF。

（b2）殼分數和殼/核平均晶粒尺寸隨研磨時間的變化。

（b3）標稱應力－具有不同MM時間的散裝樣品的應變曲線。

 

圖13 馬氏體-鐵素體DPS中三種馬氏體形態和分布的OM圖像：（a1）孤立馬氏體，（a2）鏈式馬氏體，（a3）纖維狀馬氏體。（b1）馬氏體－鐵素體DPS中纖維狀馬氏體的SEM圖像。（b2）不同壓下量的冷軋和溫軋樣品的工程應力－應變曲線。（b3）與不同的SPD方法相比，溫軋具有顯著的強化效果。

 

圖14 （a1）77K拉伸試驗后CrCoNi MEA的三級非均勻晶粒結構和插圖中UFG晶界處形成的NG。

（a2）不同溫度下具有非均勻晶粒結構的MEA的工程拉伸應力－應變曲線。

（a3）298和77K拉伸變形過程中NG和角孿晶的密度（ρ）和晶粒尺寸的變化。SMAT分析AZ31合金中（b1）取向和（b2）晶粒尺寸的梯度分布。

（b3）不同取向的CG和GS試樣的工程應力-應變曲線。

（c1）具有雙異質晶粒尺寸和析出物的AZ91合金的SEM圖。

（c2）不同預時效時間的AZ91合金的工程應力－應變曲線。

（d1）IPF和（d2）具有晶粒尺寸和結構雙重非均勻性的Mg-1Gd/Mg-13Gd合金的極圖。

（d3）Mg-1Gd/Mg-13Gd合金和相應的單個組分合金的真應力-應變曲線。

 

圖15 （a）不同厚度的HLS Ti的YS和UE。其他Ti以及Ti6Al4V的機械性能也用于比較。

（b）YS-UE和（c）具有不同界面間距的LS銅/青銅層壓板的加工硬化曲線。

（d）隨著塑性應變的增加，界面間距為7.5和31μm的樣品的背應力和有效應力的發展。（紅色曲線），基于ROM的計算，使用修改后的ROM進行計算（綠色曲線）。插圖是隨著GS層體積分數的增加協同強化（Δσ）的發展。

（f）測量的應變硬化曲線（實線）和基于ROM的計算。

（g）NS層中具有不同體積分數的LS銅/青銅層壓板的應變硬化速率的比較。IF鋼中的CG樣品。

（h）Ti1.1和Ti0.6樣品在Ti層中心和Al/Ti界面處的GND密度分布。

 

圖16 一個軟CG層夾在兩個硬NS層之間的模型。

（a）所有層都是彈性的。

（b）中心軟層塑性變形，而硬層彈性變形（彈塑性階段）。

（c）所有層都在塑性變形（塑性－塑性階段）。軟層和硬層具有相同的彈性模量。SMAT制備的GS IF鋼中應力和應變分布的CPFEM分析：

（d）沿著x軸的法向應力（σ_x）分布。（e）沿著x軸的法向（dεx/dy）和剪切（dγxz/dy）應變梯度。路徑1（中心）至4（邊緣）是指為CPFEM建模選擇的樣本的不同路徑；非均質Cu的CPFEM分析作為模型，并考慮不同變形機制的強度貢獻。

（f）具有不同晶粒尺寸的非均質區域的預測應力－應變曲線和（g）應變梯度距帶邊界距離的相應變化趨勢。

 

圖17 3%塑性應變后，HLS黃銅（a）高角度疇界（>15°）和（B）低角度疇界（5°-15°）處GNDs堆積的TEM圖像。（c）疇界處GNDs堆積的統計分析。（d）LUR曲線和（e）不同樣品的HDI應力演變。

 

圖18 （a）幾何相容性因子m′作為基底－基底滑移、基底－棱柱滑移和基底－錐體滑移轉移模式的取向差的函數；IPF和相應的取向差分布圖，在AZ31合金中插入｛0001｝極圖：（b，c）AR樣本，（d，e）TD4%樣本，（f）LUR曲線和（g）兩個樣本中的HDI應力演變。

 

圖19 （a）LS純Al和（B）HLS Mg-13Gd合金在不同應變下的IPF和GND密度分布圖，（c）和（d）GND密度隨應變增加的相應變化，（e）不同退火處理的純Al的HDI應力演變，（f）Mg-13Gd合金在不同擠壓比下的HDI應力演變和（g）HDI硬化發展。

 

圖20 LS純Al中的織構統計：（a）CG層，（b）FG層；HLS Mg-13Gd合金中的極圖、晶體取向模型和施密特因子（SF）分布：（c-e）：CG，（f-h）FG。

 

圖21 （a）相鄰晶粒間的滑移面角度和滑移方向的模型圖；（b-d），（e-g）在晶粒尺度水平上均勻Mg-13Gd樣品的晶體學與局部微觀應變之間的關系，（h）基于歐拉角計算的理論滑移跡線方向；（i）SF范圍為0-0.5的m'分布。

 

圖22 （a）具有高SFE的傳統材料和（b）具有低SFE的高速切削材料中的位錯行為；（c）疲勞FCC晶體中各種位錯構型的α因子。

 

圖23 （a）包括CG和FG區域的TEM圖像和（b）邊界處沉淀物與位錯之間相互作用的詳細視圖；（c）包括CG和FG區域的TEM圖像和（d）邊界處偏析的Gd溶質原子與位錯之間相互作用的高倍放大圖；（e，g）LUR曲線和（f，h）Cu/Cu-Zn、1060/7050Al層壓板及其樣品隨應變增加的HDI應力發展。

 

圖24 LS銅-青銅層壓板：（a）平均層厚為31µm的樣品的OM；（b）和（c）ICCM圖像，顯示了平均層厚為62μm和3.7μm的層壓板中的微觀結構。（d）LS銅－青銅層壓板在3.1%、4.2%和5.6%應變下的應變帶（SB）的演變，通過高分辨率DIC測量。黑色箭頭表示疇界面。

 

圖25 （a）從NS層到CG層的具有GS的Ni樣品；

（b）表面上分散SB的演變；

（c）在7.22%的施加應變下測量的側表面上SB的分布。Z代表厚度方向。

 

圖26 三個樣品的EBSD圖像、晶粒尺寸的統計分布和DIC圖像：（a1-a3）軋制UFG樣品，（b1-b3）含～30%CG的BS樣品，（c1-c3）均質CG樣品。

 

圖 27（a）顯示散斑圖案和晶界（黑線）的掃描電鏡圖像，（b）（a）中紅色虛線框標記區域在2000倍放大倍數下的圖像，紅色方框顯示子集大小，（c）數字圖像相關法（DIC）基本原理示意圖，（d）在3%宏觀應變下通過電子背散射衍射（EBSD）獲得的Mg-1Gd/Mg-13Gd樣品的逆極圖（IPF）以及在7%和13%宏觀應變下對應的高分辨率掃描電鏡圖像，（e–g）不同宏觀應變下高分辨率數字圖像相關法（HR-DIC）得到的應變場ε_xx、ε_xy和ε_yy。

 

圖28 當拉伸應變從1.09%增加到21.06%時，代表性SB上的應變演變和GS Ni表面上的應變峰特征：（a）應變ε_x，（b）應變ε_y，（c）應變峰半峰處的平均寬度和平均應變峰高的演變；（d）在LS Mg-1Gd/Mg-13Gd層壓板的不同宏觀應變下，沿圖27（e）中描述的曲線1的應變沿著xx；（e）在不同應變下GS IF鋼的局部SB中硬度值的變化。

 

圖29 LS Ti-Al層壓板在不同宏觀應變下沿著x方向的基于SEM的DIC映射：（a）0%，（b）2.0%，（c）4.0%，（d）5.0%，（e）6.0%，（e）8.0%；隨著宏觀應變增加的平均應變的定量分析：（g）ε_xx，（h）ε_yy，（i）ε_xy。

 

圖30 （a）變形過程中損傷累積的宏觀和（b）局部放大SEM圖像；（c）不同宏觀應變下異質Ti/Ti₃Al層壓板沿著y方向的基于SEM的DIC映射。

 

圖31 兩種HLS Ni：（a1-a3）LNR-500℃-13min樣品的TEM圖像，在頸縮處具有高密度位錯結構的層狀CG嵌入基體中；（b1-b3）LNR-500℃-13min樣品的斷口的SEM圖像；（c1-c3）ECAP+LNR-475℃-5min樣品的TEM圖像，在頸縮處具有等軸CG嵌入UFG基體中；（d1-d3）ECAP+LNR-475℃-5min樣品中斷裂的SEM圖像。

 

圖32 （a）在各種宏觀應變下進行原位拉伸試驗期間LS Al-Ti層壓板中裂紋的三維可視化形態；

（b）宏觀應變為10.0%和20.0%時的SEM圖像；

（c）宏觀應變為20.0%時Ti層中頸縮裂紋的三維形態，由（a）中的白色虛線框標記。

 

圖33 BS Al-Mg合金中的示意圖、SEM和TEM圖像：（a1-a3）空隙萌生，（b1-b3）裂紋鈍化；示意圖和SEM圖像：（c1，c2）裂紋偏轉和分支，（d1，d2）裂紋橋接，（e1，e2）界面分層和失效。

 

圖34 GNG-Ti橫截面的SEM圖像：（a）拉伸變形前，（b）15%拉伸變形后；（c-e）圖（b）中標記的NG/UFG到CG的高倍放大圖像；（f-h）相應的斷裂形貌；（i）損傷演化和斷裂的模型圖。

 

圖35 （a）NG層、GNG-Cu樣品和CG層在20%拉伸變形后的SEM圖像，其中NG和CG層為取自GNG-Cu樣品的750µm厚的薄箔拉伸試樣；（d-f）和（g-i）NG和CG層分別在0%、5%和20%拉伸應變下的表面形貌。

 

圖36 在三個尺度水平下，CPFEM與高強度金屬材料的微觀結構和力學性能的相關性圖：（a）宏觀水平，（b）介觀水平，（c）微觀水平，（d）微觀結構和力學性能的調節。

 

圖37 （a）NS基體中具有聚集、層狀和分散CG區域的異質結構Cu的三種區域配置示意圖；（b）不同區域配置和（c）分散異質結構中不同機械不相容性的額外流動應力響應比較；（d）強度－延展性組合的指標（σ_y*E_u）；（e）作為V_HBAR函數的額外機械響應。

 

圖38 （a）LS Cu/Cu-Cu10Zn中均勻和非均勻結構以及分區IAZ中的位錯堆積模型；

（b）不同層厚下真實應力－應變的實驗結果和模擬結果的比較；

（c）背應力和（d）應變硬化率演變的相應預測。

 

圖39 （a）顆粒級和樣品級GND堆積模型；（b）彈塑性轉變階段和（c）塑性流動階段側向應變ε_x沿著深度方向的演化（路徑1-4），（d）不同拉伸應變下軸向應變ε_z沿著長度方向的分布（路徑5-7），（e）各種影響因素下GS IF鋼流動應力的定量評估。

 

圖40 本綜述的結論與前景。

 

本文的研究成果如下：

（1）明確了異質結構金屬材料（HSMs）的定義、分類及異質變形理論，闡述了其由軟硬區域構成且能打破傳統均質材料強度與延展性倒置關系的特性，核心在于hetero-變形誘導（HDI）強化和硬化效應。

（2）梳理了各類HSMs的制備方法、微觀結構特征及力學性能，包括異質層狀結構、梯度結構、層狀結構等多種類型，分析了不同結構的形成機制和強化機制。

（3）深入研究了HSMs的變形機制，將其分為彈性變形、彈性－塑性變形、塑性變形三個階段，闡明了各階段中應力應變變化、位錯行為及HDI應力和硬化的產生過程。

（4）分析了協同強化效應的影響因素，如域厚度/間距、體積分數、強度差異等，以及其力學行為如分散應變帶、應變傳遞和裂紋演化，明確了這些因素和行為對材料性能的作用。

（5）系統闡述了HSMs的數值模擬研究，包括不同尺度的constitutive模型，以及CPFEM在預測材料力學行為和優化微觀結構設計中的應用，同時指出了模擬中存在的問題和未來改進方向。

（6）總結了HSMs研究的關鍵科學問題和未來方向，涉及復雜應力狀態下的性能、模擬模型改進、基礎理論完善及功能特性研究等。