香港城大/辽材异构团队AFM综述：异构金属结构材料的研究方法、性能及展望

金属结构材料强度-塑性倒置的问题一直是科学家们致力于解决的问题。研究结果表明异构材料设计理念能够突破传统均质材料的强塑性匹配的困境。人们通过调控力学性能或物理性能具有显著差异的异构组元，可以获得远超混合法则预测的性能。例如，通过简单部分再结晶退火获得的非均匀片层结构纯钛既具有纳米晶结构的高强度，又具有粗晶钛的良好延伸率，这种良好的强塑性匹配突破了强度-塑性倒置关系的香蕉曲线。重要的是，这种轧制和简单退火的工艺与现有工业设备的匹配度较高，使得异构材料的产业化成本较低。这些异构材料表现出的比传统均匀材料更加优越的力学性能，使它们成为材料研究前沿极具前景的材料。

为了更好地建立微观结构与力学响应之间的关系，使研究人员可以更深入地了解异构材料设计的科学原理、强韧化机制、及其在高性能金属材料研究中的应用，香港城市大学朱运田教授和辽宁材料实验室异构材料研究部周浩研究员团队，综述了近年来异构材料的研究进展，包括异构材料的定义、分类、制备方法、主要变形机制及研究方法，重点介绍了异质设计概念在多种金属和合金材料中得到的应用，包括钛、镁、铝、铜、钢和中/高熵合金等。通过综述国内外研究团队在异构金属结构材料方面的工作，充分展示了异构材料策略在高性能金属材料设计中的巨大优势和潜力。另外，本文还展望了异构材料的理想设计策略和广阔的工业应用前景，并指出了在未来一段时间内异构金属材料所面临的科学和工程问题相关工作以“Heterostructured Metallic Structural Materials: Research Methods, Properties, and Future Perspectives”发表在《AFM》。

图文导读

图1 代表性异构材料微观结构及其制备方法

图2 异变诱导强韧化机制原理图

图3 异构材料理念广泛应用于各合金体系

总结与展望

异构材料作为一个新兴的金属材料微观结构设计理念，因其特有的塑性变形行为及强韧化效果而受到广泛关注。本文首先回顾了异构材料的相关的基本概念和原理，然后重点关注了国内外代表性研究小组在主流合金系统，包括钛，镁，铝，铜，钢和中/高熵合金的实验结果。本文不仅比较了常规均质材料与异质结构材料的力学性能，而且阐明了在特定合金体系中不同异质结构之间力学性能的差异。本综述全面展示了异构材料策略在几乎所有合金体系中的广泛适用性。然而，异构材料研究领域仍存在许多未解决的关键基础和工程问题，需要更多的系统深入的研究。其中主要的科学问题包括：1）几何必需位错与异构界面的交互作用；2）异构组元特征与异变诱导应变硬化机制之间的关系，进一步优化微观结构，提出相应调控准则；3）异变诱导强韧化机制与其他传统强韧化机制的耦合效应，例如相变诱发塑性效应、孪生诱发塑性等。主要的工程应用问题包括：1）研究异构材料的使役性能，如腐蚀、疲劳、断裂韧性、高温力学、加工成形性能等；2）开发更多有效的工业化技术，制备低成本高性能异构材料。

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来源：高分子科学前沿

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