https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.03.109

——背景——

高性能轻金属材料是支撑现代工业升级与能源可持续发展的关键物质基础。然而，传统强化路径——固溶、位错、沉淀或弥散强化——普遍遵循“香蕉曲线”，在提升强度的同时不可避免地牺牲延展性，形成百年难题的“强度-延性权衡”。

近年来，受竹材、贝壳、建筑框架等天然/工程异质结构启发，研究者通过人工构建“软硬分区”的异质结构材料（HSM）成功突破上述瓶颈。典型策略是在超细晶（UFG）或纳米晶（NG）基体中嵌入粗晶（CG）或第二相软区，利用异步轧制（ASR）、等通道角压（ECAP）、高压扭转（HPT）等剧烈塑性变形工艺结合退火，激活异质变形诱导（HDI）强化与硬化机制，实现强度与延展性的协同提升。例如，Wu 等人采用 ASR+退火在纯钛中构筑 UFG/CG 层状结构，使其同时继承 UFG 高强度与 CG 优异延展性，由此引发 HSM 研究热潮（图 2）。

迄今，HSM 已衍生出梯度、层状、双相、谐波及双模等多种构型（图 1(d)）。与均匀 NG/UFG 或 CG 材料相比，这些结构有效规避“香蕉曲线”，为后纳米结构时代的工业应用提供了广阔前景。

本文系统阐述 HSM 的“加工—微观组织—力学性能”耦合关系，结构如下：
第 1 节梳理研究背景；第 2 节定义并分类 HSM；第 3 节阐述 HDI 强化/硬化理论、HDI 应力测量及几何必需位错（GND）计算；第 4 节总结不同工艺制备 HSM 的微观组织与力学响应；第 5 节剖析变形机制及协同强化行为；第 6 节评述晶体塑性有限元模拟进展；第 7 节提出未来研究方向。

——图文导览——

图1(a) 自然竹材：径向密度梯度的平行纤维嵌入蜂窝状细胞基质，结合空心管状截面，显著提升抗弯刚度[3]。(b) 软体动物贝壳：鲍鱼壳横截面显示外层坚硬方解石与内层珍珠层构成，珍珠层断裂面呈现有机基质中拉出的文石纳米片[13]。(c) 传统与现代异质建筑：干草-泥土 vs 水泥-碎石-钢筋[14]。(d) 力学性能对比：NG/UFG/CG 与不同工艺制备的 HSM 的屈服强度–均匀延伸率关系[21]。

图2近年来 PubMed 数据库中 HSM 相关论文数量及区域分布趋势。

图8(a1) 部分再结晶纯钛 IPF 图；(a2) 不同厚度样品的工程应力-应变曲线；(a3) 应变硬化率-真应变关系；(a4) 变形过程中 HDI 应力与流动应力的演变[15]。(b1) 350 °C/5 min 退火 UFG 纯铝层压板 IPF 与极图；(b2) 不同退火时间工程应力-应变曲线；(b3) 对应应变硬化率曲线[51]。(c1) 中锰钢 EBSD 相图与 IPF；(c2) 与现有高强金属的拉伸性能对比[52]。

图9(a1) SMGT 制备梯度结构铜示意图及 SEM 图像（GNG→CG）；(a2) GNG、CG 及 GNG/CG 工程应力-应变曲线[83]。(b1) SMAT 处理的 IF 钢 GS 示意图及晶粒尺寸分布；(b2) NG、GS、GS/CG、CG 工程应力-应变曲线；(b3) GS/CG 样品中 GS 层与 CG 芯部 ΔH 随深度变化[16]。(c1) 循环动态扭转制备的 GS Al0.1CoCrFeNi HEA 示意图及局部 TEM 图像；(c2) T-Ⅰ、T-Ⅱ、T-Ⅲ 及整体 T-Ⅰ 样品的真应力-应变曲线[92]。

图10(a1) 不同 Ti 层厚度 Al/Ti/Al LS 层压板 SEM 图；(a2) 1.12 mm Ti 层样品 IPF；(a3) Al/Ti/Al、纯 Ti、纯 Al 工程应力-应变曲线[120]。(b1–b2) ARB+退火 2、3、5 周期 Cu/青铜层压板 OM 与 ICCM 图；(b3) N2、N3、N5 工程应力-应变曲线[44]。(c1) 300 °C/30 min 退火 LS 纯铝层压板 IPF；(c2) 不同退火条件工程应力-应变曲线；(c3) 定制 LS 纯铝与其他工艺纯铝 YS-UE 对比[121]。

图12(a1) 谐振结构 3D 形貌；(a2) 粉末冶金制备 HS 流程图[139]。
(b1) 不同 MM 时间 FeMnCoCr HEA IPF；(b2) 壳层分数及壳/芯平均晶粒尺寸随时间演变；(b3) 不同 MM 时间样品的应力-应变曲线[19]。

——结论——

本综述以实验观测、理论解析与数值模拟为手段，系统阐述了高强度异质结构金属（HSMs）实现强度-延展性协同的策略。对于各类 HSMs，克服“强度-塑性”矛盾的核心在于传统位错强化/硬化之外更显著的异质变形诱导（HDI）效应；其应变硬化能力的物理根源，可归于界面活跃区（IAZs）内几何必需位错（GNDs）在区域边界的大量塞积，这一塞积由复杂多轴应力场与应变梯度驱动，并由软硬区力学不相容触发。

从影响因素与协同强化行为出发，本文阐明了 HSMs 的变形机制。一方面，为最大化 HDI 强化/硬化，应通过调控尺寸、晶体取向及材料属性等异质参数，优化 GND 的堆积效率；另一方面，分散剪切带（SBs）与应变传递是主要塑性调节机制，二者共同实现应变去局域化并激活内部韧性机制。在损伤层面，软区对硬区的约束延缓裂纹扩展，显著抑制裂纹向不稳定主裂纹演化，呈现外部增韧特征。

鉴于高强度钢仍依赖试错制备，亟需数值模拟以建立微观组织与关键工艺参数之间的映射。本文构建了异质参数-GND-HDI 相互作用及基于位错的本构模型，可同时预测宏观拉伸行为、损伤演化以及微观力学响应趋势，为定量设计高性能 HSMs 提供理论依据。

此外，本文提出了未来亟需突破的四大科学问题：
(1) 服役载荷多轴性：现有研究多聚焦单轴拉伸，需进一步探索平面应力（双轴拉伸/压缩）及三维复杂应力状态下的变形规律与强化机制，以指导空间结构优化。
(2) 数值模型精细化：现有晶体塑性有限元（CPFEM）模型需引入更完备的损伤-失效定律、织构-HDI 耦合参数、HCP HSM 中非基滑移与孪晶效应，以及前向应力相关的本构框架。
(3) 强化机制耦合：需厘清协同强化与传统机制（固溶、沉淀等）之间的相互作用规律，特别是多级异质结构带来的多重应变硬化叠加效应，为异质设计开辟新思路。
(4) 功能化拓展：除力学性能外，异质结构在磁性、热电、催化及介电等功能领域亦具调和矛盾性能的潜力，但目前研究仍局限于少数体系，亟需建立“加工-结构-性能”普适关系。攻克上述关键问题，将推动 HSMs 从力学结构材料向多功能先进材料跨越，并为航空航天、能源及电子信息等领域提供前所未有的性能解决方案。