导读：异质结构材料(HSM)的研究回答了冶金领域最紧迫的问题之一：“是否有可能同时大幅提高强度和加工硬化，以避免延展性不可避免损失？”。从具有显著不同流动应力的区域的变形模式之间的协同作用来看，低层错能(SFE)合金可以解决它们在强度和延展性之间的典型权衡问题。本文回顾了通过不同加工方法获得的HSSS的所有微观结构方面及其与晶体结构和机械、腐蚀、生物和磁特性等性能的相关性。在变形机制、微观结构和纹理特征方面也提出了实验和建模结果之间的关键比较。

异质结构材料HSM的一个重要价值是可以组合不同的属性以确保其多功能用途。HS微结构可以克服的强度与延展性权衡的降低也可以与不同于机械性能的性能相结合。一些例子是具有卓越机械性能的抗菌、耐腐蚀、磁性或生物相容性合金的设计。此外，HSM的异质性允许探索许多途径，例如异质晶粒尺寸、缺陷密度、晶体结构，以及化学、磁性、电化学、电、热和生物等差异。不同性能的出色组合使HSM有望替代多种传统材料。HSM的一些当前和潜在应用包括生物安全、骨科、牙科、食品加工、汽车、航空、建筑、光电子学、生物力学、摩擦学、能量转换设备、磁存储、日常设备等，它们可以结合它们的具有尖端的机械性能的特性，延长其使用寿命。各种仿生设计也证明了异质结构的有效性，例如木和竹茎、马蹄、牙齿、骨头、贝壳等中的梯度微结构。此外，使用人造HSM并不是一个新趋势。由印度钢制成的著名大马士革刀片（5世纪至19世纪）和古老的日本刀（1000多年前）具有硬刃的软核是异质结构强韧材料的例子。

在此，香港城市大学、埃及坦塔大学、圣卡洛斯联邦大学、瓦伦西亚理工大学、哥伦比亚大学等11所顶级材料研究机构将HSSS中的加工-微观结构-性能关系作为重点，讨论了HSSS的多学科视角。不锈钢(SS)是一种低SFE材料，广泛应用于结构、生物医学、生物安全、食品加工和日常应用。将其耐腐蚀性和生物相容性与HSM的出色机械性能相结合的可能性，可以将SS转变为低成本和高效先进材料的有希望的选择。该综述将作为理解和设计新型多功能HSSS的参考。相关研究成果以题“Heterostructured stainless steel: Properties, current trends, and future perspectives”发表在材料著名期刊Materials Science and Engineering: R: Reports上。

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

异质结构材料(HSM)构成了一个有前途的快速新兴领域，可通过具有成本效益的途径提高机械性能。图1显示了开发异质结构材料的高度增长趋势。虽然HSM不是改善金属材料机械性能的唯一方法，但它们为纳米结构材料中的一个苛刻问题提供了创造性的答案：“是否有可能同时大幅增加强度和应变硬化以避免不可避免的延展性损失？”通过表面纳米化形成梯度结构，科学界注意到了一种有趣的长程应力组合，可以增强材料并在应变时保持良好的延展性。对他们的物理学进行系统研究的动机是了解这些有希望的结果。目前，HSMs具有多种优势，尤其是强度和延展性的尖端组合。

图1 Scopus数据库中以“不锈钢”和“异质结构”为关键词的科学论文的收录趋势。

虽然异质结构的设计并不是提高金属材料力学性能的唯一途径，但它是目前最有前途的工业用途。与纳米(NG)/超细(UFG)和粗粒(CG)材料相比，随着异质结构的获得，强度和延展性之间的权衡大大降低。图2显示了HSM的主要分类，本综述将遵循这些分类：异质层状结构(HLS)、梯度结构(GS)、层状结构(LS)、多相结构、谐波结构和多模态结构。此外，每个HSM的特征微观结构特征和主要获得过程也如图2所示。4HSM的微观结构特征，5晶体织构，6机械性能，7腐蚀敏感性，8其他感兴趣的特性将在每个分类中描述。

图2 纳米晶(NG)/超细(UFG)、粗(CG)和异质结构(HS)不锈钢之间的屈服强度和均匀伸长率比较；梯度结构、多相结构、异质片层结构、谐波结构、多峰结构、层状结构，以及各类HS材料（HSMs）的主要加工工艺。

对于HSM，具有低SFE以获得最宽的堆垛层错和最高的加工硬化是很方便的。以304SS作为参考，高含量的Cr和Ni估计将SFE降低到16.8 mJ m-2，这远低于其他材料报道的Ni(150 mJ m-2)、Cu(80 mJ m 2)，或Al(200 mJ m 2)。如图6所示，在SS（低SFE）中，位错解离并形成堆垛层错，而不是形成位错单元，从而形成GND堆积。将在桩头处获得等于nτa的应力集中，其中n是桩中GND的数量，τa是施加的剪应力。对于晶粒尺寸相对均匀的均质SS，软硬共存区之间的流动应力(σs)相似（σsA σsB，来自图6），应力集中可能会推动前导位错穿过晶粒传递边界。在这种情况下，远距离应力（前后）的产生将被削弱，这就是图6中黑色实线表示的无效应力的原因。

图6 典型的位错行为及其对高（蓝色虚线）和低（绿色虚线）堆垛层错能(SFE)粗晶材料以及异质结构材料（红色线）具有固有的低SFE。σs表示在微观结构中共存的A区和B区的流动应力。τa是施加的剪切应力，n是堆积中几何必要位错(GND)的数量，nτa是应力集中。

图7促进异质结构(HS)不锈钢(SS)发生异质变形诱导(HDI)强化的微观结构特征总结。（a）HS材料（HSM）的独特特征和（b）典型的机械行为。σs是硬区或软区的流动应力。SFE是堆垛层错能量。σ、ε、σr和σu是拉伸试验中的强度、应变、再加载期间的屈服强度和卸载期间的屈服强度。Ip和f是软区或硬区的固有特性和体积分数。

图8 316 L不锈钢(SS)的显微组织演变图，(a)粗加工状态，(b)85%冷轧(CR)后，(c-e)85%CR+ 750 °C退火10 min后的异质结构,(f)85%CR+ 750 °C退火25 min后的完全再结晶。(d)表示在HS316 LSS区域边界形成的GND堆积和(e)电子显微镜观察上述试样，(g-h)在不同退火时间和温度下的晶粒尺寸演变。

图9 (a)梯度结构(GS)不锈钢(SS)的典型显微组织和特征以及(b-g)TEM显微照片和来自301SS表层的SAED图案的γ到bcc-α'相变示例由SMAT处理(b,c)1分钟、(d,e)5分钟和(f,g)10分钟。

图12 不锈钢中典型的谐波微观结构由(a)多个晶粒的体积和(b)围绕软区的局部位错网络硬区构成。(c)与具有相同化学成分的双峰结构和(a)中不同烧结条件的比较。(d)谐波结构304 L不锈钢(SS)的极限抗拉强度（0.2%屈服强度）和均匀伸长率对壳层分数的依赖性。

图14 深度相关的晶粒尺寸与孪晶间距结构304不锈钢(SS)之间的比较。(a)具有与深度相关的晶粒尺寸和孪晶密度的梯度结构(GS)304SS的表示，以及(b)纳米晶粒GS和(c)纳米孪晶GS304不锈钢的实验和模拟应力-应变曲线之间的比较。

图15 Cu/Nb(FCC/BCC)和Mg/Nb(HCP/BCC)层状结构(LS)材料的极图。（a-b）通过累积滚压粘结LS（左）中（a）Cu相和（b）Nb相的中子衍射测量的织构极图，单独在典型滚压织构（中间）和沉积的纳米复合材料（右）中。(c-d)层厚为50 nm的Mg/NbLS材料中(c)Mg相和(d)Nb相通过XRD测量的织构极图。在层厚为5nm的Mg/NbLS中，Mg和Nb相织构与（c-d）中所示的相同。

图16 (a)共晶60/40 at%成分的Ag/Cu材料的纳米结构，(b)具有Ag/Cu纳米片层的单个中心菌落的扫描电子显微镜显微照片，(c)Zr-2.5 wt%Nb分级的纳米结构材料，（d）由20nm厚的β-bccZr-Nb层隔开的~220nm的α-hcpZr层的透射电子显微照片。

图22 应力比为0.1的轴向疲劳试验后，谐波结构304LSS试样的(a)SEM图像、(b)IPF图和(c)谐波结构。

对于一个完整的HSMs开发方案，传播研究结果、交流思想和建立多学科合作是促进HSMs应用的必要行动。目前已经创建了一些讨论异质材料的论坛，例如在2016年和2019年矿物、金属和材料学会(TMS)年会期间的“为优越性能量身定制机械不相容性”、“异质和梯度材料”和“异质材料”专题讨论会，以及2019年的Gordon研究会议。然而，快速发展的HSM领域需要一个专门讨论该主题的专门论坛。为了满足这一需求，第一届异质结构材料国际会议（HSMI）将于2022年7月举行。同时，使用HSM的最新发现创建免费更新的教科书和数据库可能会引发对这一新兴领域的理解并激励新一代年轻研究人员对其进行研究。考虑到新材料开发的最后一个目标是它们的应用，以解决实际的工业问题，创建工业论坛以利用和传播HSM应用的成本效益也是必要的。