金属材料异构(heterostructure)是将具有显著流变应力差异的软硬相间区域作为基元进行有序构筑而成的微观组织,是旨在提高应变硬化能力和拉伸塑性的微结构设计策略,迄今应用于各种金属结构材料并获得了强度与塑性/韧性等力学性能的优异匹配。异构策略的出发点是其特征的力学响应,即塑性变形时在异构基元界面形成的应变梯度,异构的特征应力应变响应是力学迟滞环。相比均质结构中主导的林位错塑性和林硬化,异构为了协调界面应变梯度而产生几何必需位错,新增了基于几何必需位错的异质塑性变形并引起额外的应变硬化与额外的强化。本文综述了近期异构金属材料的研究进展,首先定义了异构中基元并据此把异构分类为基元异构、亚基元异构以及复合异构,随后分析并讨论了异构塑性变形时界面和位错等微结构演化,以及异质塑性变形、应变硬化和强化行为,最后展望了异构提升宏观力学性能匹配的潜力。

异质结构金属通常表现出传统均质材料无法企及的优异综合力学性能(如高强度、塑性和断裂韧性等),这主要源于其内部各组元间交互作用所产生的协同效应,包括应力/应变梯度、几何必需位错,以及独特的界面行为等。本文聚焦层状和纳米孪晶2类典型的异质纳米结构,回顾近期关于异质纳米结构金属的强化与韧化机制的研究进展,重点关注各异质组元性质、尺寸、界面以及加载方向等因素对宏观强化与韧化行为的影响规律。

核工程关键材料是保障我国核电技术顺利发展、核电系统安全高效运行的物质基础。纳米金属多层膜作为一类基于界面自修复理论设计的新型纳米结构材料,由于其高密度的界面结构不仅可以有效地阻碍位错运动从而提高材料强度,还可以显著吸收辐照产生的缺陷并促进其湮灭/复合进而提高材料的辐照损伤容限,具有广阔的核应用前景。本文围绕近几年国内外有关金属/高熵合金多层膜材料力学行为与辐照损伤特性的研究,阐述了金属/高熵合金纳米多层膜材料辐照前后的组织结构与力学特性演化行为及其内在机制,提出了调控纳米金属多层膜辐照损伤容限的策略,并对金属/高熵合金纳米多层膜材料的发展趋势进行了展望。

金属结构材料因其独特性能(高强韧、耐高温等)在航空、航天、航海、军工、核电、化工、建筑和桥梁等领域具有广泛的工业应用。当前金属结构材料面临着挑战和发展机遇,而我国金属结构材料行业亦面临发展优势和不足。纳米金属结构材料因其高强度而在有节能减重要求的领域(如交通运输)具有工业应用前景,但其低的断裂延伸率限制了工业应用。纳米金属低的拉伸塑性是由其低的应变硬化率导致,而低的应变硬化率进一步由纳米金属过小的晶粒尺寸难以积累位错所致。经过20多年的研究,纳米金属低的断裂延伸率可通过纳米析出、孪晶界、多尺度晶粒分布、孪生、相变、降低位错密度、纳米梯度结构、异构等组织调控得以改善,这些韧化方案提高了纳米金属位错积累能力和应变硬化率,并最终提高了韧性。纳米金属结构材料的拉伸性能除了与其微观结构密切相关,还与变形温度、应变速率、拉伸样品尺寸及加载应力状态相关。

通过构筑金属异构材料以实现强韧均衡的材料设计和制造方法,已成为机械工程和材料科学等领域的前沿方向与研究热点。近年来,对异构金属材料内部多种强韧化机制的理解已逐渐深入,而建立强韧化增益效果与微观结构特征参量的定量关联,进而指导强韧化工艺研发,对异构金属材料的设计理论、制造成形及性能表征具有重要意义。本文主要综述了近年来异构金属材料的微观结构调控理论基础与常用制造工艺的进展。首先按照微观调控手段对异构金属材料进行分类,随后综述了异构金属材料微观结构调控的若干理论基础,最后以“自上而下”和“自下而上”对强韧化工艺进行分类,介绍了常见的异构金属材料制备工艺方法。在此基础上,对异构金属材料设计与制造面临的挑战和发展方向进行了讨论与展望。

金属基复合材料的力学性能不仅取决于增强相与基体的成分配比,还取决于2者的复合构型(形状、尺寸和空间分布)。本文主要围绕复合构型设计,包括增强体非均匀构型设计和基体本征异构设计,归纳金属基复合材料构型设计尺度精细化、尺寸定量化、结构参量多元化的发展历程,探讨了基于能量耗散理论的金属基复合材料构型化复合与强韧化的未来发展方向。

同步提升强度与塑性是金属材料研究的不懈追求之一。近年来,异构设计通过调控力学性质存在显著差异的组元相的空间分布,突破了金属材料强度与塑性难兼得的瓶颈。异构变形诱导强化、应变分配、延迟颈缩、界面影响区等主流理论为异构金属材料设计提供了有力指导,上述理论均指出,在受载过程中,异构金属材料组元相的局域应力与局域应变存在独特特征,并伴随偏离经典理论预测的变形和断裂行为。本文综述了异构金属材料在早期变形阶段、塑性变形阶段和断裂阶段中局域应力和局域应变演化,归纳了异构金属材料中变形行为、断裂行为与局域应力、局域应变的交互关系及对力学性能的影响,为高性能异构金属材料的设计和研发提供新的思路。

高熵合金突破了传统合金设计理念的桎梏,具有高强度、高硬度、高耐磨性及抗腐蚀性,是一种具有巨大发展前景的新型金属材料。然而,金属材料的强度与塑性之间存在倒置矛盾关系,高熵合金仍受困于这一难题。因此,设计开发兼具高强度与高塑性的高熵合金材料已成为目前研究热点与难点。近年来,异构设计理念在传统金属材料强韧化这一问题上得到发展,如何设计异构高熵合金以实现高熵合金强韧化,使合金兼具高强度与高塑性,引起了科研人员的重视。本文从异构显微组织尺度出发,综述了目前存在的异构显微结构设计方法,分析了不同异构组织对其强韧化机制及力学性能的影响,并对未来高强韧高熵合金显微结构设计进行了展望。

异构材料旨在构筑不同尺寸的结构或功能基元,通过基元间的协同耦合效应来解决材料基本特性相互冲突的问题和提高材料性能。虽然该理念已被成功地用来解决材料的强度-塑性之间的倒置关系和产生优异的力学性能,但在功能材料应用方面还处于探索初期。在无序异构材料的基础上,将不同尺寸的基元如晶粒、相或畴结构等进行有序排列,可以增强基元间的耦合效应,进一步提高材料的性能,甚至产生变革性的新功能。本观点文章以永磁材料为例,简要介绍了有序异构功能材料中新的物理机制和增强的性能,讨论了异构材料中功能基元的有序化所产生的高性能或变革性的、全新的功能特性。

采用冷拉拔工艺制备了具有不同晶粒特征的工业纯Al线和工业纯Cu线,研究了晶粒对强度和导电率的影响机制。性能测试结果表明,拉拔变形后期,工业纯Al线和工业纯Cu线的强度和导电率同步提高,打破了强度和导电率传统的倒置关系。微观组织观察发现：随着拉拔变形量增大,轴向晶粒被拉长,径向晶粒逐渐细化,径向<001>织构向<111>织构转变,形成了晶粒形状异构和晶体取向异构的微观组织结构。理论分析表明：晶粒宽度和织构主要影响强度,晶粒长度主要影响导电率；提出了轴向长晶粒、径向细晶粒和径向硬取向织构是工业纯Al线和工业纯Cu线强度和导电率同步提高的根本原因。

对不同增强相含量的TiBw/TC18进行了热挤压与热处理,利用OM、SEM、TEM及电子万能试验机研究了热挤压与热处理对复合材料的组织与拉伸性能的影响。结果表明,通过β单相区挤压变形,TiBw/TC18的β晶粒由70 μm减小到40 μm左右,TiBw呈定向排列。挤压态TiBw/TC18通过三重退火与固溶时效处理后,基体组织变为不同尺寸的α相分布在β相基底上,这种多尺度的组织使TiBw/TC18获得了优异的综合性能。力学性能测试结果表明,挤压处理可明显提升烧结态TiBw/TC18复合材料的延伸率,但强度下降17%。经三重退火处理后,2.0%TiBw/TC18 (体积分数)的抗拉强度和延伸率分别达到1200 MPa和21.7%,较烧结态分别提高了5.5%和189%。而采用固溶时效处理后,2.0%TiBw/TC18复合材料的抗拉强度和延伸率分别为1389 MPa和9.9 %,较烧结态分别提高了22.2%和32%。2种热处理制度均实现了复合材料强度和塑性的协同提升。网状结构TiBw/TC18通过挤压与不同制度的热处理可以调控其性能,以满足不同服役条件的使用需求。

以Mg-3Gd (质量分数,%)合金为研究对象,采用累积叠轧和退火工艺制备了由层厚不均匀的回复组织层和再结晶组织层交替组成的层状异构样品。拉伸实验结果表明,这种层状异构样品可以在同等拉伸塑性的条件下获得比均匀再结晶结构更高的强度,并表现出成形加工所需的连续流变行为。回复层和再结晶层之间的协调变形激发了锥面<c + a>滑移在界面附近的开动,增强了位错增殖和累积,提高了加工硬化率和塑性。

采用FESEM、TEM、EBSD、拉伸实验和热暴露实验等方法研究了Al-AlN异构复合材料的微观组织、力学性能和热稳定性,分析了复合材料的热稳定性及其稳定机理。结果表明：Al-AlN复合材料的组织为由粒子富集区和粒子贫乏区交替分布形成的异质片层结构,粒子富集区的基体晶粒为超细晶结构,粒子贫乏区为粗晶结构；该复合材料在500℃长达100 h的热暴露条件下表现出优异的热稳定性,并且其热稳定性和抗拉强度的综合性能组合显著优于传统的耐热铝合金；分析认为其主要的热稳定机理是高温下晶界上的AlN纳米颗粒钉扎晶界,抑制了晶界迁移和晶粒长大,从而使该Al-AlN异构纳米复合材料在表现出优异的强度-塑性匹配的同时,还表现出良好的热稳定性。此外,在热暴露实验的初期,还发现了异常强化和硬化现象,且热暴露温度越高其强度和硬度提高的幅度越大,这主要与热处理过程中发生了晶界驰豫强化有关。

同时采用共晶成分设计和晶粒细化的策略,通过异质结构调控提升SLM成形的Al-Fe系列合金的强韧性。结果表明,SLM成形AlFe₅合金呈现柱状粗晶和等轴细晶并存的组织结构,其中细晶的体积分数较低,整体显微结构未表现出明显的非均匀性；随着Zr元素的添加,SLM成形AlFe₅Zr₁合金中细晶体积分数增加,呈现粗、细晶交替分布的非均匀异质结构。同时,SLM成形AlFe₅和AlFe₅Zr₁合金在纳米尺度均呈现胞状结构特征。这种纳米级胞状结构、过饱和Fe元素及高位错密度主导的强化机制使得SLM成形Al-Fe-Zr系列合金的屈服强度达400 MPa,且异质结构可进一步提升AlFe₅Zr₁合金的应变强化能力,使其抗拉强度达450 MPa。原位断裂韧性测试结果表明,异质结构可促使裂纹在扩展过程中发生偏折和尖端钝化,从而增加裂纹扩展阻力,使AlFe₅Zr₁合金具有优异的断裂韧性。

通过简单的温轧工艺,制备出高屈服强度(1250 MPa)、高延伸率(24%)和高断裂韧性(K_JIC为125 MPa·m^1/2)的部分再结晶TWIP钢。相比于热轧和冷轧钢,温轧TWIP钢的微观组织具有异质结构特征,即包含高密度位错和孪晶的形变粗晶晶粒以及几乎无缺陷的再结晶细晶。形变粗晶提供高屈服强度,再结晶晶粒提供大的塑性变形能力,从而在拉伸实验中具有优异的加工硬化率。与此同时,在断裂韧性测试中的裂纹扩展过程中,再结晶晶粒能使裂纹尖端钝化和裂纹偏折,提高其断裂韧性。这种温轧产生的异质结构TWIP钢同时取得了高屈服强度和高韧性的优异性能组合。