位错强化的定义(第二相强化名词解释)

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异质结构(Heterostructure，HS)材料是一种新型材料，由具有显著差异(>:100%)的异质区域的材料组成，具有力学或物理特性。这些异质区域之间的相互作用和耦合产生了协同效应，其中的综合特征超过了混合规则的预测。HS材料具有传统均质材料无法达到的优异的力学或物理性能。

日前，国际顶级期刊《材料科学进展》(Progress in Materials Science)报道了香港城市大学朱教授和中科院力学所的文章《异质结构材料》。本文重点介绍异质结构材料，其优异的力学性能是通过新的机制实现的:异常形变诱导强化和异常形变诱导加工硬化。软区域中的几何必要位错(GND)在该区域的边界附近累积，导致软区域中的背应力和硬区域中的正应力，它们一起产生HDI应力。HS材料具有独特的变形行为:它形成分散的微应变带，这有助于将塑性应变分布在整个标距长度上，从而提高均匀伸长率。它们可以通过使用传统的工业技术和设备以低成本容易地大规模生产。优异的性能、新材料科学和巨大的应用潜力正在推动HS材料的快速发展。这篇综述旨在向学生和研究人员介绍这一新兴领域，并作为HS材料的参考。

纸质链接:

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.101019

异质结构(HS)材料在自然界中无处不在，并已被用于许多类型的人造结构和组件，尽管直到最近，科学家们还没有很好地定义HS材料或系统地研究HS材料作为一种材料。HS材料表现出比均质材料更优越的功能和机械性能，这也是它们被自然进化所选择，并经常被人类探索的原因。在这篇综述文章中，我们将主要集中于结构HS材料的机械性能，尽管也将简要讨论一些功能特性。

HS材料以其优越的性能和巨大的应用潜力成为一个重要的研究领域。例如，据报道，异质片层钛具有纳米结构钛的高强度和粗晶钛的良好延展性，这是根据我们传统的教科书和文献不可能的性能组合。更重要的是，这种异质结构可以利用现有的工业设施以低成本制造，这使得它们比其他先进材料更容易商业化。

似乎我们对材料科学的传统理解往往不足以解释HS材料的力学行为。在我们设计出性能优异的HS材料之前，还有许多科学问题需要解决。例如，异质结构钛通过冷变形加工，然后部分再结晶和退火。冷变形产生具有高强度但低延展性的纳米结构。退火降低了整体位错密度，并产生一些大的微米级晶粒。按照我们的传统教学，两者都要降低强度。然而，异质结构的钛在退火后仍保持高强度，这与传统的材料科学背道而驰。

它将需要来自材料科学、力学和计算建模领域的研究人员的共同努力来解决高热材料的一些基本问题。换句话说，HS材料领域是科学家探索的新领域，在实际应用中具有巨大潜力。这也是为什么它迅速吸引了全球众多知名研究团体加入这一研究领域。

本文的目的是介绍HS材料，特别是异质结构材料的定义、基本原理、加工工艺、微观结构、性能以及在材料研究领域的潜在应用。本文的目标读者是在这一领域工作的研究生，正在进入这一新研究领域的研究人员，以及已经在研究异质结构材料的科学家和工程师。讨论异质结构材料的历史观点、范围和定义。

异质结构材料是一种不仅为基础研究奠定科学基础，而且具有快速工业应用潜力的材料。新材料的商业化和实际应用往往受到以下两个关键因素的阻碍。第一个因素是大规模工业生产技术的可扩展性。这通常需要大量的研究和开发。将新技术从实验室推广到商业生产通常需要很长时间和很高的成本。在实验室行之有效的方法不一定能在大规模上发挥作用，或者不一定能持续有效地控制商业产品的质量。第二个因素是成本，包括购买和安装生产设施的成本和生产产品本身的成本。开发新材料以支持新技术或替代现有材料。现有材料的替换对民用产品如汽车的成本特别敏感。新技术的商业化通常处于R&D阶段。此时，基础研究的公共资金已经枯竭，但技术还不够成熟，无法从营利性公司吸引足够的私人资金进行商业化。因此，当该技术无法获得足够的资金来维持其在R&D的活动时，它就消亡了。有前途的技术往往在这个阶段夭折，开发新材料启用新技术或替代现有材料，被称为技术“死亡之谷”。现有材料的替换对民用产品如汽车的成本特别敏感。

HS材料的最大优势之一是可以通过当前的工业技术和设施生产，这消除了其商业化的任何技术障碍。也避免了前期巨大的资金投入。采用当前的工业技术和设备使得以低成本生产HS材料非常经济，这使得它们与现有材料相比具有竞争力。例如，HS钢可以在钢厂使用当前的工业轧制和退火工艺进行加工，这可能为汽车和其他制造业开发一系列新的高性能和低成本的钢。事实上，常见的工业热机械技术和设备，如锻造、轧制、挤压、拉拔和热处理，可用于加工HS金属和合金。正是这种工业应用潜力，使得HS材料具有很长的使用寿命。

作为一个新的材料领域，有许多已知和未知的基础和工程问题需要解决，这为材料领域提供了丰富的研究机会。一个新的科学原理，HDI强化和HDI硬化，是HS材料力学性能优异的原因，是决定其力学性能的主要因素。HDI强化和HDI硬化增加了传统的基于位错的强化和硬化，以提供额外的强度和延展性增强。下面，我们将讨论HS材料领域迄今已知的科学和工程问题。

第一个问题是几何必要位错(GND)和区域边界之间的相互作用，以产生非均匀形变诱导(HDI)应力。从逻辑上讲，当GND阵列滑动到一个区域的边界时，它们可能会停在边界前，透过边界，被推入边界或从边界反射。它们也可能交叉滑动以逃避堆积。这些情况将决定人类发展倡议强化和强化的有效性。这些情况的发生会受到材料固有特性(如层错能、晶体结构)以及区域边界结构和取向误差、跨界强度差异、跨界晶体结构差异等微观结构特征的影响。等等

GND边界的积累是在软区产生背应力，在硬区产生正应力的最有效途径，导致HDI应力高。堆垛层错能(SFE)应该影响GND的积累。低SFE促进平面位错滑移，使GND更容易积累，高SFE使GND更容易交叉滑移，避免长期积累。因此，可以推断，SFE将影响HDI应力和HDI硬化的发展。这需要系统的研究。在铜青铜层状结构的原位TEM研究中，观察到GND被推入区域边界并被边界吸收。边界对GND的吸收和透射将逻辑上导致叠层中GND数的饱和。这些都需要研究，这样我们才能了解高密度脂蛋白的演化和高热材料的力学行为。其他未知的GND带边界相互作用也可能存在，这将在未来被发现。

第二个问题是散射剪切带的成核和生长机制及其与GND积累的关系。迄今为止，几乎在所有报道的HS材料中都观察到了高度分散的应变带。HS将塑性变形分布在较长的标距上，以延缓主应变局部化的形成，从而使试样失效，这是一种有效的方法。探索局部应变区的形核和生长机制是非常重要的。一种假设是局部应变带的成核与一个或多个gnd的积累有关，但这还有待实验验证。这对理解HS材料的变形机制非常重要。此外，怀疑局部应变带最有可能是剪切带，即由局部剪切应变引起的，

第三，计算研究，结合实验研究，探索GND和区域边界之间的相互作用。然后，需要进行分析和建模以推导方程，从而预测非均匀区域的最佳尺寸、几何形状和分布，并获得最佳的强度-延性组合。迄今为止报道的异质结构材料主要是通过试错法制备的。尽管我们对如何设计HS材料有一些基本的想法，如前一节所述，但我们对HS材料的了解还不足以定量设计异质结构。最终目标是设计具有其组成和所需异质结构的HS材料，以获得最佳的机械或物理性能。

第四个问题是组合不同的异质结构以开发双异质结构或三异质结构，并将异质结构与常规增韧机制如相变诱导塑性(TRIP)、孪晶诱导塑性(TWIP)或形变孪晶协同耦合。应变硬化机制在不同的应变阶段依次被激活，在很高的拉伸应变下仍能保持高应变硬化率，即产生很高的延性。在异质结构高熵合金中报道了多应变硬化(SMSH)策略的顺序激活，这是在这一方向和超细晶粒材料中的首次成功尝试。HS结构与其他传统增韧机制之间存在着无限可能的组合，为HS材料提供了广泛的设计空。

第五个问题是开发具有良好可控性、可扩展性和低异质结构加工成本的加工技术。这对异质结构材料的实际商业应用非常重要。(文:早)

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