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▲共同第一作者：董鑫鑫、高波

共同通訊作者：朱運田，周浩

通訊單位：遼寧材料實驗室、香港城市大學

論文DOI：10.1002/adfm.202410521

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本文綜述了異構材料的定義、分類、制備方法、主要變形機制及研究方法，重點介紹了異質設計概念在多種金屬和合金材料中得到的應用，包括鈦、鎂、鋁、銅、鋼和中/高熵合金等。通過綜述國內外研究團隊在異構金屬結構材料方面的工作，充分展示了異構材料策略在高性能金屬材料設計中的巨大優勢和潛力。本文還展望了異構材料的理想設計策略和廣闊的工業應用前景，并指出了在未來一段時間內異構金屬材料所面臨的科學和工程問題。

背景介紹

金屬結構材料強度-塑性倒置的問題一直是科學家們致力于解決的問題。研究結果表明異構材料設計理念能夠突破傳統均質材料的強塑性匹配的困境。人們通過調控力學性能或物理性能具有顯著差異的異構組元，可以獲得遠超混合法則預測的性能。例如，通過簡單部分再結晶退火獲得的非均勻片層結構純鈦既具有納米晶結構的高強度，又具有粗晶鈦的良好延伸率，這種良好的強塑性匹配突破了強度-塑性倒置關系的香蕉曲線。重要的是，這種軋制和簡單退火的工藝與現有工業設備的匹配度較高，使得異構材料的產業化成本較低。這些異構材料表現出的比傳統均勻材料更加優越的力學性能，使它們成為材料研究前沿極具前景的材料。

為了更好地建立微觀結構與力學響應之間的關系，使研究人員可以更深入地了解異構材料設計的科學原理、強韌化機制、及其在高性能金屬材料研究中的應用，本文綜述了近年來異構材料的研究進展，主要包括以下幾個方面：

1. 分類和制備方法：本文首先介紹了異構材料的分類，重點介紹了其獨特的結構特征及其制備方法。

2. 基本變形機制：綜述了異構金屬結構材料的基本變形機制，討論了異變誘導應變硬化機制的成因及其對材料力學性能的影響，介紹了用于分析異變誘導硬化機制的代表性研究方法。

3. 異質設計理念的應用：系統歸納國內外代表性研究工作，詳細介紹了異質設計理念在各合金體系中的應用，包括鈦、鎂、鋁、銅及其合金；鋼鐵材料（包括碳鋼和不銹鋼）和中/高熵合金，證實了異構策略在高性能金屬材料設計中的普適性。

4. 設計策略和未來展望：最后，總結異構材料的理想設計策略，展望其廣闊的工業應用前景，指出未來異構金屬材料領域所需要解決的科學和工程問題。

圖文導讀

圖1 代表性異構材料微觀結構及其制備方法

圖2 異變誘導強韌化機制原理圖

圖3 異構材料理念廣泛應用于各合金體系

總結與展望

異構材料作為一個新興的金屬材料微觀結構設計理念，因其特有的塑性變形行為及強韌化效果而受到廣泛關注。本文首先回顧了異構材料的相關的基本概念和原理，然后重點關注了國內外代表性研究小組在主流合金系統，包括鈦，鎂，鋁，銅，鋼和中/高熵合金的實驗結果。本文不僅比較了常規均質材料與異質結構材料的力學性能，而且闡明了在特定合金體系中不同異質結構之間力學性能的差異。本綜述全面展示了異構材料策略在幾乎所有合金體系中的廣泛適用性。然而，異構材料研究領域仍存在許多未解決的關鍵基礎和工程問題，需要更多的系統深入的研究。其中主要的科學問題包括：1）幾何必需位錯與異構界面的交互作用；2）異構組元特征與異變誘導應變硬化機制之間的關系，進一步優化微觀結構，提出相應調控準則；3）異變誘導強韌化機制與其他傳統強韌化機制的耦合效應，例如相變誘發塑性效應、孿生誘發塑性等。主要的工程應用問題包括：1）研究異構材料的使役性能，如腐蝕、疲勞、斷裂韌性、高溫力學、加工成形性能等；2）開發更多有效的工業化技術，制備低成本高性能異構材料。

作者介紹

周浩，遼寧材料實驗室材料交叉研究中心異構材料研究部，科研PI，研究方向為納米異構金屬材料、原位透射電子顯微表征等，承擔多項國家自然基金項目，在Nature，Science Adv.，Acta Mater.，Scr. Mater.，MRL，JMST，Int. J. Plast.，JMA等期刊發表論文126篇，論文累計引用4856余次，H因子39，擔任Acta Mater.，Scr. Mater.，MRL，JMA等期刊審稿人。

朱運田，香港城市大學材料科學與工程學院講座教授，歐洲人文和自然科學院院士，美國國家發明家科學院院士，異構材料設計理念的提出者之一。近年來的研究方向主要集中于異構材料和納米晶材料的變形機制及變形行為。在國際知名期刊發表期刊論文500余篇，論文累積引用量5萬余次，Scopus數據庫檢索H因子120，Materials research letters期刊主編。

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