導讀：異質結構材料(HSM)的研究回答了冶金領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力的區域的變形模式之間的協同作用來看，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的所有微觀結構方面及其與晶體結構和機械、腐蝕、生物和磁特性等性能的相關性。在變形機制、微觀結構和紋理特征方面也提出了實驗和建模結果之間的關鍵比較。

異質結構材料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微結構可以克服的強度與延展性權衡的降低也可以與不同于機械性能的性能相結合。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計。此外，HSM的異質性允許探索許多途徑，例如異質晶粒尺寸、缺陷密度、晶體結構，以及化學、磁性、電化學、電、熱和生物等差異。不同性能的出色組合使HSM有望替代多種傳統材料。HSM的一些當前和潛在應用包括生物安全、骨科、牙科、食品加工、汽車、航空、建筑、光電子學、生物力學、摩擦學、能量轉換設備、磁存儲、日常設備等，它們可以結合它們的具有尖端的機械性能的特性，延長其使用壽命。各種仿生設計也證明了異質結構的有效性，例如木和竹莖、馬蹄、牙齒、骨頭、貝殼等中的梯度微結構。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世紀至19世紀）和古老的日本刀（1000多年前）具有硬刃的軟核是異質結構強韌材料的例子。

在此，香港城市大學、埃及坦塔大學、圣卡洛斯聯邦大學、瓦倫西亞理工大學、哥倫比亞大學等11所頂級材料研究機構將HSSS中的加工-微觀結構-性能關系作為重點，討論了HSSS的多學科視角。不銹鋼(SS)是一種低SFE材料，廣泛應用于結構、生物醫學、生物安全、食品加工和日常應用。將其耐腐蝕性和生物相容性與HSM的出色機械性能相結合的可能性，可以將SS轉變為低成本和高效先進材料的有希望的選擇。該綜述將作為理解和設計新型多功能HSSS的參考。相關研究成果以題“Heterostructured stainless steel: Properties, current trends, and future perspectives”發表在材料著名期刊Materials Science and Engineering: R: Reports上。

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

異質結構材料(HSM)構成了一個有前途的快速新興領域，可通過具有成本效益的途徑提高機械性能。圖1顯示了開發異質結構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，但它們為納米結構材料中的一個苛刻問題提供了創造性的答案：“是否有可能同時大幅增加強度和應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構，科學界注意到了一種有趣的長程應力組合，可以增強材料并在應變時保持良好的延展性。對他們的物理學進行系統研究的動機是了解這些有希望的結果。目前，HSMs具有多種優勢，尤其是強度和延展性的尖端組合。

圖1 Scopus數據庫中以“不銹鋼”和“異質結構”為關鍵詞的科學論文的收錄趨勢。

雖然異質結構的設計并不是提高金屬材料力學性能的唯一途徑，但它是目前最有前途的工業用途。與納米(NG)/超細(UFG)和粗粒(CG)材料相比，隨著異質結構的獲得，強度和延展性之間的權衡大大降低。圖2顯示了HSM的主要分類，本綜述將遵循這些分類：異質層狀結構(HLS)、梯度結構(GS)、層狀結構(LS)、多相結構、諧波結構和多模態結構。此外，每個HSM的特征微觀結構特征和主要獲得過程也如圖2所示。4HSM的微觀結構特征，5晶體織構，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(UFG)、粗(CG)和異質結構(HS)不銹鋼之間的屈服強度和均勻伸長率比較；梯度結構、多相結構、異質片層結構、諧波結構、多峰結構、層狀結構，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的應力集中，其中n是樁中GND的數量，τa是施加的剪應力。對于晶粒尺寸相對均勻的均質SS，軟硬共存區之間的流動應力(σs)相似（σsA σsB，來自圖6），應力集中可能會推動前導位錯穿過晶粒傳遞邊界。在這種情況下，遠距離應力（前后）的產生將被削弱，這就是圖6中黑色實線表示的無效應力的原因。

圖6 典型的位錯行為及其對高（藍色虛線）和低（綠色虛線）堆垛層錯能(SFE)粗晶材料以及異質結構材料（紅色線）具有固有的低SFE。σs表示在微觀結構中共存的A區和B區的流動應力。τa是施加的剪切應力，n是堆積中幾何必要位錯(GND)的數量，nτa是應力集中。

圖7促進異質結構(HS)不銹鋼(SS)發生異質變形誘導(HDI)強化的微觀結構特征總結。（a）HS材料（HSM）的獨特特征和（b）典型的機械行為。σs是硬區或軟區的流動應力。SFE是堆垛層錯能量。σ、ε、σr和σu是拉伸試驗中的強度、應變、再加載期間的屈服強度和卸載期間的屈服強度。Ip和f是軟區或硬區的固有特性和體積分數。

圖8 316 L不銹鋼(SS)的顯微組織演變圖，(a)粗加工狀態，(b)85%冷軋(CR)后，(c-e)85%CR+ 750 °C退火10 min后的異質結構,(f)85%CR+ 750 °C退火25 min后的完全再結晶。(d)表示在HS316 LSS區域邊界形成的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)梯度結構(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構由(a)多個晶粒的體積和(b)圍繞軟區的局部位錯網絡硬區構成。(c)與具有相同化學成分的雙峰結構和(a)中不同燒結條件的比較。(d)諧波結構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數的依賴性。

圖14 深度相關的晶粒尺寸與孿晶間距結構304不銹鋼(SS)之間的比較。(a)具有與深度相關的晶粒尺寸和孿晶密度的梯度結構(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力-應變曲線之間的比較。

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

圖16 (a)共晶60/40 at%成分的Ag/Cu材料的納米結構，(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分級的納米結構材料，（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 應力比為0.1的軸向疲勞試驗后，諧波結構304LSS試樣的(a)SEM圖像、(b)IPF圖和(c)諧波結構。

對于一個完整的HSMs開發方案，傳播研究結果、交流思想和建立多學科合作是促進HSMs應用的必要行動。目前已經創建了一些討論異質材料的論壇，例如在2016年和2019年礦物、金屬和材料學會(TMS)年會期間的“為優越性能量身定制機械不相容性”、“異質和梯度材料”和“異質材料”專題討論會，以及2019年的Gordon研究會議。然而，快速發展的HSM領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，第一屆異質結構材料國際會議（HSMI）將于2022年7月舉行。同時，使用HSM的最新發現創建免費更新的教科書和數據庫可能會引發對這一新興領域的理解并激勵新一代年輕研究人員對其進行研究。考慮到新材料開發的最后一個目標是它們的應用，以解決實際的工業問題，創建工業論壇以利用和傳播HSM應用的成本效益也是必要的。