香港城大朱运田教授/辽宁材料实验室异构材料研究部AFM综述：异构金属结构材料的研究方法、性能和展望

▲共同第一作者：董鑫鑫、高波

共同通讯作者：朱运田，周浩

通讯单位：辽宁材料实验室、香港城市大学

论文DOI：10.1002/adfm.202410521

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本文综述了异构材料的定义、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。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。

背景介绍

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，本文综述了近年来异构材料的研究进展，主要包括以下几个方面：

1. 分类和制备方法：本文首先介绍了异构材料的分类，重点介绍了其独特的结构特征及其制备方法。

2. 基本变形机制：综述了异构金属结构材料的基本变形机制，讨论了异变诱导应变硬化机制的成因及其对材料力学性能的影响，介绍了用于分析异变诱导硬化机制的代表性研究方法。

3. 异质设计理念的应用：系统归纳国内外代表性研究工作，详细介绍了异质设计理念在各合金体系中的应用，包括钛、镁、铝、铜及其合金；钢铁材料（包括碳钢和不锈钢）和中/高熵合金，证实了异构策略在高性能金属材料设计中的普适性。

4. 设计策略和未来展望：最后，总结异构材料的理想设计策略，展望其广阔的工业应用前景，指出未来异构金属材料领域所需要解决的科学和工程问题。

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。

作者介绍

周浩，辽宁材料实验室材料交叉研究中心异构材料研究部，科研PI，研究方向为纳米异构金属材料、原位透射电子显微表征等，承担多项国家自然基金项目，在Nature，Science Adv.，Acta Mater.，Scr. Mater.，MRL，JMST，Int. J. Plast.，JMA等期刊发表论文126篇，论文累计引用4856余次，H因子39，担任Acta Mater.，Scr. Mater.，MRL，JMA等期刊审稿人。

朱运田，香港城市大学材料科学与工程学院讲座教授，欧洲人文和自然科学院院士，美国国家发明家科学院院士，异构材料设计理念的提出者之一。近年来的研究方向主要集中于异构材料和纳米晶材料的变形机制及变形行为。在国际知名期刊发表期刊论文500余篇，论文累积引用量5万余次，Scopus数据库检索H因子120，Materials research letters期刊主编。