微觀異構(gòu)（heterogeneous microstructuring）是提升金屬結(jié)構(gòu)材料協(xié)同強韌化水平的新途徑，典型異構(gòu)包括：非均勻/異質(zhì)層片、跨尺度晶粒微結(jié)構(gòu)等。近期，中國科學院力學研究所先進材料力學行為研究團隊在異構(gòu)動態(tài)力學行為和極端環(huán)境下使役行為等方面取得進展。

研究人員針對芯部為馬氏體鋼與表層為奧氏體不銹鋼組成的三明治宏觀多層異構(gòu)，利用應(yīng)變精細控制的動態(tài)剪切試驗與微結(jié)構(gòu)演化觀察，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)均質(zhì)微結(jié)構(gòu)，異構(gòu)的動態(tài)力學性能匹配顯著提升 (圖1a)；提出了相應(yīng)動態(tài)剪切變形的微觀力學機制，即異構(gòu)延緩了剪切帶在脆性區(qū)的萌生，限制了剪切帶從脆性區(qū)到韌性區(qū)的傳播 (圖1b)。同時，動態(tài)變形時，軟硬區(qū)界面處存在大應(yīng)變梯度，形成的幾何必須位錯協(xié)調(diào)變形并產(chǎn)生了額外的加工硬化，軟硬區(qū)之間相應(yīng)地發(fā)生了應(yīng)變分配 (圖1c)。此外，研究人員進一步觀察到異構(gòu)中剪切帶的萌生和傳播模式主要取決于軟硬區(qū)之間的硬度差異，刻畫了其相關(guān)性規(guī)律。這些研究結(jié)果為設(shè)計與調(diào)控具有優(yōu)異動態(tài)力學性能的異構(gòu)金屬材料奠定了科學基礎(chǔ)。

針對強韌性匹配優(yōu)異的跨尺度晶粒異構(gòu)中熵合金，進行了在廣溫域 (4.2 K–373 K)沖擊加載條件下的裂尖塑性區(qū)微結(jié)構(gòu)演化和裂紋擴展行為研究。結(jié)果表明，異構(gòu)在經(jīng)受低溫沖擊變形時，其內(nèi)部形成了高密度變形納米孿晶多級結(jié)構(gòu)，孿晶層片平均間距10 nm，顯著提高應(yīng)變硬化能力，抑制裂紋的萌生和非穩(wěn)態(tài)擴展。進而，高密度多級孿晶結(jié)構(gòu)誘導裂紋尖端的多重剪切帶分叉形成，耗散了變形能 (圖2b)。更為重要的是，研究發(fā)現(xiàn)了剪切帶的自增韌機制，即剪切帶內(nèi)部和外部均形成了高密度的變形納米孿晶，不僅提高了剪切帶的應(yīng)變硬化能力，還顯著阻擋并抑制剪切帶的擴展，從而增加了沖擊吸收功 (圖2c)，導致創(chuàng)紀錄高的夏比沖擊韌性，即異構(gòu)中熵合金在液氦溫度 (4.2 K) 時沖擊功高達340 J，在液氮溫度 (77 K) 為380 J，室溫 (298 K) 為520 J (圖2c)。據(jù)此，該研究提出利用變形納米孿晶提高韌性的異構(gòu)策略，為新型高性能金屬結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計提供理論依據(jù)。

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于Scripta Materialia以及Materials Science and Engineering上。上述研究工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）、科學技術(shù)部重點研發(fā)計劃納米專項以及國家自然科學基金的資助。

圖1 宏觀多層異構(gòu)鋼的優(yōu)異動態(tài)力學性能及其微觀機制(a) 高應(yīng)變速率(5×104 s–1)剪切性能； (b) 剪切帶萌生/擴展行為；(c) 剪應(yīng)變位錯協(xié)調(diào)機制

圖2 跨尺度晶粒異構(gòu)CrCoNi中熵合金的裂尖剪切帶韌化行為和優(yōu)異沖擊韌性(a) 跨尺度晶粒異構(gòu); (b) 剪切帶–孿晶交互作用; (c) 沖擊韌性(AK)–測試溫度關(guān)系