姜 爽，賈 楠，Peng Lin Ru

(1. 東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819.(2. 東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料各向異性與織構(gòu)教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819.(3. 林雪平大學(xué)工程材料系，瑞典 林雪平 58183)

1 前 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)化進程的飛速發(fā)展，日益嚴苛的使役環(huán)境對金屬結(jié)構(gòu)材料的強度和韌性均提出了較高的需求，開發(fā)具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的先進結(jié)構(gòu)材料是國內(nèi)外材料研究者的不懈追求。傳統(tǒng)強化手段，例如固溶強化、細晶強化、第二相強化等，在明顯提高材料強度的同時，通常以犧牲韌性為代價，致使金屬材料表現(xiàn)出明顯的強度和韌性倒置關(guān)系[1，2]。因此，僅靠單一地調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念無法實現(xiàn)材料強度和韌性的協(xié)同提升。近來，多尺度非均勻結(jié)構(gòu)[3-6]的設(shè)計思想被提出，該思路是獲得良好強度與韌性匹配的有效途徑。這種設(shè)計策略是通過控制晶粒形態(tài)[7，8]或引入界面約束[9]等方式，多層次多尺度地調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)非均勻化，使材料組合了從納米尺度到宏觀尺度的多個維度特征，從而可以有效地為材料提供更優(yōu)的綜合力學(xué)性能[7，10-14]。這種概念的一個典型設(shè)計實例是金屬層狀復(fù)合材料(laminated metallic composites，LMCs)[15，16]，通過將異種金屬的特性綜合到一種材料中并引入層間異質(zhì)界面的約束效應(yīng)，在獲得優(yōu)異的強度-韌性匹配方面具有潛在的能力。

金屬層狀復(fù)合材料是由兩種以上具有不同性質(zhì)的金屬組元以一定的方式進行界面匹配而形成的多層材料[17，18]，該材料由于組織結(jié)構(gòu)簡單、制備工藝多樣而備受關(guān)注。此外，在該種材料中，異種金屬呈層狀分布，并非均勻地混合，從而使各金屬組元能夠在保持原有性質(zhì)的基礎(chǔ)上，相互彌補不足，使材料整體具有單一金屬或合金無法比擬的優(yōu)異性能，有望提高材料的電性能、磁性能及熱穩(wěn)定性等[19，20]，同時還具有成本低廉、應(yīng)用廣泛等特點?？梢酝ㄟ^調(diào)控金屬層狀復(fù)合材料的組元金屬種類、組元層尺度、晶粒尺寸、織構(gòu)和界面特性等參數(shù)使材料滿足不同的服役要求[21，22]。金屬層狀復(fù)合材料有望在微/納米機電系統(tǒng)[23，24]、磁性數(shù)據(jù)存儲[25]、儲氫[26]、摩擦[27]和核工業(yè)[28-32]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

由于內(nèi)部具有獨特的層狀結(jié)構(gòu)及高密度的異質(zhì)界面，金屬層狀復(fù)合材料具有獨特的力學(xué)性能。而且隨著組元層厚的減小，異質(zhì)界面的影響越發(fā)顯著，從而使金屬層狀復(fù)合材料表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)塊體材料的力學(xué)行為。探索金屬層狀復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能與組元層厚、界面結(jié)構(gòu)、組元金屬微結(jié)構(gòu)等的內(nèi)在關(guān)聯(lián)并揭示其對應(yīng)的微觀機制，對設(shè)計具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的金屬層狀復(fù)合材料有重要的理論和實際意義。本文旨在對金屬層狀復(fù)合材料的微觀力學(xué)行為及變形機理進行綜述，分別介紹了金屬層狀復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能等方面的研究進展，著重討論了室溫下金屬層狀復(fù)合材料的微觀力學(xué)行為及其內(nèi)在的物理機制，加深對非均勻?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)金屬復(fù)合材料形變行為和強韌化的理解。最后，本文對未來金屬層狀復(fù)合材料力學(xué)行為的研究進行了簡要展望。

2 金屬層狀復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能

2.1 異質(zhì)界面的結(jié)構(gòu)特征

金屬層狀復(fù)合材料由周期性排列的各組元金屬及組元層間的異質(zhì)界面共同構(gòu)成。當(dāng)組元金屬種類確定時，隨著組元層厚的減小，異質(zhì)界面的體積分數(shù)增大，異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)類型逐漸成為決定金屬層狀復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素，對載荷傳遞、應(yīng)力配分和變形協(xié)調(diào)等均具有重要的影響。因此，深入理解金屬層狀復(fù)合材料力學(xué)行為首先要充分了解層間異質(zhì)界面的微結(jié)構(gòu)特征及其對微觀變形機制的作用。根據(jù)組元金屬晶體結(jié)構(gòu)屬性的不同，可以將金屬層狀復(fù)合材料中的異質(zhì)界面分為晶體/晶體和晶體/非晶體2種。鑒于非晶具有短中程有序的結(jié)構(gòu)特性，包含有非晶組元層的復(fù)合材料會表現(xiàn)出獨特的力學(xué)行為。本文僅關(guān)注晶態(tài)金屬層狀復(fù)合材料的力學(xué)行為。針對晶體/晶體異質(zhì)界面，根據(jù)組元金屬間本征混合焓大小的不同，金屬層狀復(fù)合材料中的異質(zhì)界面可以分為混合(miscible)界面和不易混合(immiscible)界面。例如，金屬Mg和Ti之間的混合焓為正值，因此Mg/Ti界面為不易混合界面，界面處無金屬間化合物和明顯的擴散[33]；金屬Ti和Cu之間的混合焓為負值[34]，因此Ti/Cu界面為混合界面，界面處通常會形成明顯的互擴散層、金屬間化合物或非晶層[35]。常見的不易混合異質(zhì)界面有Cu/Ag[36]、Cu/W[37]、Cu/Ta[38]、Cu/Cr[39]、Cu/Mo[34]、Cu/Nb[40-43]、Cu/Co[32]、Cu/Fe[44]、Cu/V[44]、Zr/Nb[45]、Mg/Nb[46]和Mg/Ti[33]等。對于不易混合異質(zhì)界面，根據(jù)界面兩側(cè)組元金屬的晶格失配度大小，異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)可以分為共格、半共格和非共格。異質(zhì)界面為共格結(jié)構(gòu)時，對應(yīng)的界面能最小，此時原子排列和滑移系在界面上連續(xù)，位錯可以穿過該界面，例如Cu/Ni界面。異質(zhì)界面為半共格結(jié)構(gòu)時，界面處會產(chǎn)生一系列的刃位錯以降低界面能，此時位錯不能穿過異質(zhì)界面，如Cu/Nb[47]、Cu/Ta[38]界面。異質(zhì)界面為非共格結(jié)構(gòu)時，界面處原子排列較為混亂，一般表現(xiàn)為幾個原子層厚的錯排，與大角度晶界相似。需要注意的是，異質(zhì)界面的結(jié)構(gòu)具有尺寸效應(yīng)，例如隨著組元金屬層厚的變化，Cu/Nb界面根據(jù)其原子結(jié)構(gòu)可以分為原子尺度清晰界面、界面轉(zhuǎn)變區(qū)和非晶區(qū)[43]。

對于具有共格或半共格結(jié)構(gòu)的異質(zhì)界面，根據(jù)界面兩側(cè)組元金屬的晶體結(jié)構(gòu)、取向關(guān)系和原子排布，異質(zhì)界面和位錯之間有幾種不同的交互作用行為：位錯可以穿過界面、被界面吸收和存儲。具體交互作用類型依賴于異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)特征(是否阻礙位錯穿過)和位錯類型(滑移位錯或?qū)\生位錯)[47]。Zheng等[47]運用透射電子顯微鏡對位錯-異質(zhì)界面交互作用進行了精細表征，如圖1所示。對于Cu/Ag納米層狀結(jié)構(gòu)中的{111}Cu//{111}Ag異質(zhì)界面，當(dāng)界面兩側(cè)金屬的取向關(guān)系為cube-on-cube時，兩組元金屬中的滑移系在界面處完美匹配，Ag組元中的孿生位錯可以順利地穿過Cu/Ag界面，誘發(fā)Cu層中發(fā)生孿生(圖1a)；當(dāng)異質(zhì)界面兩側(cè)金屬的取向關(guān)系為heterotwin時，這種鏡面對稱的界面取向?qū)е聦\生滑移系在界面兩側(cè)不匹配從而無法穿過異質(zhì)界面，此時Ag中的孿生位錯被界面阻礙并進一步被界面部分吸收，異質(zhì)界面處孿生位錯的柏氏矢量分量導(dǎo)致Cu/Ag界面發(fā)生傾轉(zhuǎn)(圖1b)。對于具有K-S取向關(guān)系({111}<110>Cu//{110}<111>Nb)的Cu/Nb界面，當(dāng)界面兩側(cè)的原子排布為{112}Cu//{112}Nb時，滑移位錯容易穿過界面，從而在材料中形成滑移帶(圖1c)；當(dāng)界面兩側(cè)的原子排布為{111}Cu//{110}Nb時，異質(zhì)界面阻礙滑移位錯穿過，從而導(dǎo)致非晶體學(xué)剪切帶的形成(圖1d)。

圖1 Cu/Ag和Cu/Nb納米層狀復(fù)合材料中不同異質(zhì)界面的原子結(jié)構(gòu)TEM像、位錯-界面交互作用的TEM像以及示意圖[47]：(a)Cu/Ag中cube-on-cube取向關(guān)系的{111}Cu//{111}Ag界面，(b)Cu/Ag中heterotwin取向關(guān)系的{111}Cu//{111}Ag界面，(c)Cu/Nb中K-S取向關(guān)系的{112}Cu//{112}Nb界面，(d)Cu/Nb中K-S取向關(guān)系的{111}Cu//{110}Nb界面Fig.1 TEM images of atomic structure and dislocation-interface interaction，and corresponding schematic illustration of different interfaces in Cu/Ag and Cu/Nb nanolaminates[47]：(a)cube-on-cube {111}Cu//{111}Ag interface in Cu/Ag，(b)heterotwin {111}Cu//{111}Ag interface in Cu/Ag，(c)K-S orientated {112}Cu//{112}Nb interface in Cu/Nb，(d)K-S orientated {111}Cu//{110}Nb interface in Cu/Nb

2.2 硬度/屈服強度的尺寸效應(yīng)

金屬層狀復(fù)合材料的另一個典型特征是其可調(diào)整的組元層厚度(h)。隨著內(nèi)部特征h的變化，金屬層狀復(fù)合材料內(nèi)部的塑性變形行為明顯變化，從而導(dǎo)致其強度/硬度具有強烈的尺寸效應(yīng)。目前，由Misra等[48，49]提出的金屬層狀復(fù)合材料強/硬度的尺寸效應(yīng)理論(圖2a)被廣泛接受：當(dāng)h在亞微米及以上尺度時，復(fù)合材料的屈服強度/硬度隨h的減小而增大，滿足經(jīng)典的Hall-Petch關(guān)系，即強度與h-1/2成正比；當(dāng)h小于100 nm時，單個組元層內(nèi)無法形成位錯塞積，強/硬度遵循位錯層內(nèi)約束滑移(confined layer slip，CLS)模型，即強度與ln(h)/h成正比；當(dāng)h降低至某臨界尺寸(幾納米到幾十納米)以下時，層狀復(fù)合材料中的變形機制轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e穿過界面，材料的屈服強度/硬度開始下降。納米層狀復(fù)合材料的強/硬度峰值由位錯穿過界面的界面阻礙強度(interfacial barrier strength，IBS)所決定，可歸因于不同強化機制(Koehler應(yīng)力、失配位錯、化學(xué)應(yīng)力和共格應(yīng)力等)，這與組元金屬的固有物理屬性有關(guān)，例如組元金屬的層錯能、模量、混合焓、界面特性等[50]。Zhang等[50-54]通過對多種組元層厚的Cu/Cr、Cu/Nb層狀復(fù)合材料的系統(tǒng)研究，總結(jié)了面心立方結(jié)構(gòu)(fcc)和體心立方結(jié)構(gòu)(bcc)系納米金屬多層復(fù)合膜中強/硬度的尺寸效應(yīng)規(guī)律。此外，其它大量關(guān)于納米層狀復(fù)合材料的研究也證實了上述結(jié)論，如圖2b和2c所示。但是，一些研究表明，對于層厚處于Hall-Petch規(guī)律主導(dǎo)區(qū)域的層狀復(fù)合材料，當(dāng)晶粒尺寸小于h或者出現(xiàn)孿晶時，實驗測得的復(fù)合材料強度明顯偏離Hall-Petch模型預(yù)測值，這是因為這些固有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征可以進一步強化層狀復(fù)合材料[33，55]?；谶@一點，金屬層狀復(fù)合材料強度對固有尺寸效應(yīng)和外在尺寸效應(yīng)的依賴性也得到了廣泛研究，固有尺寸效應(yīng)包括組元層厚、層內(nèi)亞結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)的影響，外在尺寸效應(yīng)包括樣品尺寸、加載方式等的影響[56，57]。上述大量研究主要關(guān)注立方系層狀復(fù)合材料中的強/硬度與組元層厚的關(guān)系，進一步包含密排六方結(jié)構(gòu)(hcp)金屬的層狀復(fù)合材料逐漸引起研究者的關(guān)注，例如bcc/hcp(Mg/Nb[58]、Co/Mo[59])、fcc/hcp(Cu/Zr[60，61])和hcp/hcp(Mg/Ti[33])體系。Callisti等[45]研究了包含hcp金屬的Zr/Nb層狀復(fù)合材料，也得到了類似于立方系層狀復(fù)合材料中的尺寸效應(yīng)機制，具體如下：當(dāng)組元層厚h大于60 nm時，Zr/Nb復(fù)合材料的強度可由Hall-Petch模型準確描述；當(dāng)層厚h在27～60 nm之間時，強化機制轉(zhuǎn)變?yōu)镃LS模型；當(dāng)層厚h小于27 nm時，Zr/Nb復(fù)合材料的強度降低。

圖2 金屬層狀復(fù)合材料中尺寸效應(yīng)的示意圖(a)[49]及fcc/bcc體系(b)和fcc/fcc體系(c)典型層狀材料硬度隨組元層厚的變化規(guī)律[50]Fig.2 Schematic illustration of size effect in LMCs (a)[49] and the variation of hardness as a function of layer thickness for several typical fcc/bcc LMCs (b)and fcc/fcc LMCs (c)[50]

為了揭示金屬層狀復(fù)合材料中強/硬度尺寸效應(yīng)的物理起源，研究者們也開展了大量的數(shù)值模擬工作。Jia等[62]通過晶體塑性有限元方法(crystal plasticity finite element method，CPFEM)，從理論角度證實了實驗無法定量獲得的微觀形變系統(tǒng)開動行為的尺寸效應(yīng)：當(dāng)Cu/Nb層狀復(fù)合材料的組元層厚在微米尺度時，位錯滑移為主要的變形機制；當(dāng)組元層厚為幾十納米時，剪切帶和位錯滑移均為主要的變形機制。Chen等[63]將離散滑移(discrete slip)模型嵌套進CPFEM，揭示了Cu/Nb納米層狀復(fù)合材料中強度尺寸效應(yīng)的物理本質(zhì)：組元層厚對強度的影響來源于層厚對晶界上位錯源長度的限制。

2.3 強度-韌性的匹配關(guān)系

金屬層狀復(fù)合材料作為非均勻結(jié)構(gòu)材料的一種，在獲得良好的強度-韌性匹配方面具有潛在的能力。通過總結(jié)文獻中報道的一些金屬層狀復(fù)合材料的強度-韌性關(guān)系(圖3)不難發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控其多尺度微觀結(jié)構(gòu)特征(組元金屬晶體結(jié)構(gòu)、層厚比、界面結(jié)構(gòu)特性等)，可以在金屬層狀復(fù)合材料中獲得良好的強度-韌性匹配。Ma等[21]研究了Cu/青銅層狀復(fù)合材料的強度、拉伸塑性與組元層厚之間的關(guān)聯(lián)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在組元金屬硬度相近的條件下，隨著組元層厚(微米級)的減小，Cu/青銅層狀復(fù)合材料的抗拉強度和均勻延伸率同時增大。在此基礎(chǔ)上，Huang等[64]制備了一系列更小層厚的Cu/青銅層狀復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)材料的強度和韌性并不是隨組元層厚單調(diào)變化，存在最優(yōu)的組元層厚使材料具有優(yōu)異的強度-韌性匹配(圖3a)。Wang等[65]研究了組元層硬度比對Cu/Cu-Zn合金復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能的影響：組元金屬間大的硬度差可以明顯提高材料整體的強度和拉伸塑性，這是由于此時異質(zhì)界面處會產(chǎn)生更大背應(yīng)力，較大的背應(yīng)力可以激活組元金屬中本來難以開動的滑移系，從而改善材料的強韌性。近年來，Jiang等[66]研究了異質(zhì)界面特征對Ti/Nb層狀復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，具有彎曲異質(zhì)界面(即出現(xiàn)大量剪切帶)的Ti/Nb材料具有明顯優(yōu)于其它六方系金屬層狀復(fù)合材料的強度-拉伸塑性匹配(圖3b)，這被歸因于剪切帶引入的剪切應(yīng)力場促進位錯開動以及對組元間應(yīng)力配分的促進作用。

圖3 Cu/青銅層狀復(fù)合材料(a)[64]和Ti/Nb層狀復(fù)合材料(b)[66]的強度-拉伸塑性匹配及與其它材料對比Fig.3 Comparison of strength versus tensile elongation of Cu/bronze LMCs (a)[64] and Ti/Nb LMCs (b)[66] with other materials

3 金屬層狀復(fù)合材料的微觀力學(xué)行為及變形機理

3.1 微觀力學(xué)行為

金屬層狀復(fù)合材料中由于兩種組元金屬共存，其變形行為與雙相材料存在共同點，例如兩相之間的形變協(xié)調(diào)和應(yīng)力配分。此外，由于異質(zhì)界面的引入以及其獨特的層狀結(jié)構(gòu)特征，金屬層狀復(fù)合材料也具有獨特的微觀力學(xué)行為。針對金屬層狀復(fù)合材料中的形變協(xié)調(diào)特征，研究者運用基于掃描電子顯微鏡的高分辨數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)(high resolution digital image correlation，HR-DIC)技術(shù)、電子背散射衍射(electron backscattered diffraction，EBSD)技術(shù)和基于同步輻射的X射線微束衍射(X-ray micro-diffraction，μXRD)技術(shù)等對局域應(yīng)變分布/協(xié)調(diào)進行了精細表征。Lhuissier等[67]運用DIC技術(shù)獲得了奧氏體/馬氏體層狀復(fù)合鋼在拉伸過程中的應(yīng)變演化，發(fā)現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)可以緩解馬氏體脆性層的過早頸縮和由此導(dǎo)致的局部斷裂，從而使馬氏體層可以承擔(dān)高達20%的非局域應(yīng)變，提高了其拉伸塑性。近年來，Huang等[64]運用原位HR-DIC表征了Cu/青銅層狀復(fù)合材料中界面附近的應(yīng)變分布(圖4a)，證實了界面影響區(qū)(interface affected zone，IAZ)的存在，并揭示了界面影響區(qū)的作用機制：在拉伸變形過程中界面附近區(qū)域出現(xiàn)約幾微米范圍的應(yīng)變梯度區(qū)，將該區(qū)域定義為界面影響區(qū)；隨拉伸載荷增大，界面影響區(qū)的寬度保持不變，但其內(nèi)部的應(yīng)變梯度增加；他們進一步提出了層狀復(fù)合材料中存在獲得最優(yōu)強塑性匹配的臨界組元層厚(即相鄰界面影響區(qū)重疊時所對應(yīng)的層厚)。這項研究從全新的角度出發(fā)闡明了異質(zhì)界面在金屬層狀復(fù)合材料變形過程中的作用機理，極大地推進了該類材料變形機制的研究。除此之外，Huang等[68]運用HR-DIC技術(shù)研究了Ti/Al層狀復(fù)合材料在塑性變形過程中局部應(yīng)變的演化，揭示了該材料良好韌性的起源：與單相Ti相比，盡管層狀結(jié)構(gòu)中的Ti層會出現(xiàn)應(yīng)變局域化現(xiàn)象，但Ti層的應(yīng)變會傳遞給相鄰Al層，這將釋放層狀復(fù)合材料中Ti層的應(yīng)變局域化，從而改善Ti的拉伸塑性。

圖4 金屬層狀復(fù)合材料中的局域應(yīng)變分布隨拉伸變形的演化：(a)Cu/青銅層狀復(fù)合材料的εxx應(yīng)變演化[64]，(b)Cu/青銅層狀復(fù)合材料界面的幾何必需位錯(GNDs)密度演化[21]，(c1)Ti/Al層狀復(fù)合材料中Al層的取向差演化[69]，(c2)粗/細晶層狀純Ti中單個粗晶粒的晶格應(yīng)變演化[70]Fig.4 Evolution of local strain distribution in LMCs with the applied tensile strain/loading increasing：(a)distribution evolution of εxx strain in Cu/bronze[64]，(b)evolution of geometrically necessary dislocations (GNDs)density in Cu/bronze[21]，(c1)evolution of misorientation in the Al layer of Ti/Al[69]，(c2)evolution of deviatoric strain tensor in individual coarse grain of layered coarse-/fine-Ti[70]

根據(jù)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，由于組元金屬力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的差異，金屬層狀復(fù)合材料在塑性變形過程中會出現(xiàn)組元之間的應(yīng)變不協(xié)調(diào)行為。因此，異質(zhì)界面處會引入幾何必需位錯(geometrically necessary dislocations，GNDs)以協(xié)調(diào)應(yīng)變梯度。當(dāng)界面處累積的幾何必需位錯數(shù)量足夠多時，會阻礙后續(xù)位錯的滑移，導(dǎo)致長程背應(yīng)力的產(chǎn)生，從而影響金屬層狀復(fù)合材料整體的力學(xué)行為。進一步，Ma等[21]運用EBSD技術(shù)研究了Cu/青銅層狀復(fù)合材料中幾何必需位錯的塞積行為(圖4b)，證實了異質(zhì)界面在變形過程中會影響相鄰金屬層，并通過產(chǎn)生幾何必需位錯塞積促進背應(yīng)力硬化。最近，Yu等[69]借助最先進的原位μXRD技術(shù)首次揭示了拉伸變形過程中Ti/Al層狀復(fù)合材料中Al層的變形行為(圖4c1)：拉伸變形前，Al層中為具有超低應(yīng)變的變形組織；在后續(xù)拉伸變形過程中，該變形組織、異質(zhì)界面約束、晶粒尺寸和晶體取向?qū)l層的塑性變形有重要的影響；Al層中發(fā)現(xiàn)了從異質(zhì)界面到層中心的位錯密度梯度，并且該梯度在拉伸變形過程中略有增加。該研究結(jié)果為理解金屬層狀復(fù)合材料中的界面約束效應(yīng)提供了有價值的見解。進一步，Li等[70]運用原位μXRD技術(shù)針對粗/細晶層狀分布純Ti中單個粗晶粒的晶格偏應(yīng)變的分布與演化進行了定量表征(圖4c2)，分析了材料中形變協(xié)調(diào)的物理過程：大量位錯在異質(zhì)界面附近發(fā)生塞積，由此產(chǎn)生的背應(yīng)力會抑制已激活的位錯源繼續(xù)發(fā)射位錯；此后隨著施加應(yīng)力繼續(xù)增加，異質(zhì)界面附近的局域應(yīng)力持續(xù)累積，最終其分切應(yīng)力將導(dǎo)致高臨界應(yīng)力位錯或鄰近細晶層中位錯的開動。

微觀應(yīng)力的演化和配分是材料微觀力學(xué)行為的另一個重要表象。Wu等[71]研究了細/粗晶層構(gòu)成的層狀無間隙原子鋼的微觀力學(xué)行為，揭示了異質(zhì)界面的約束作用會改變層狀材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。Huang等[68]借助原位中子衍射技術(shù)獲得衍射譜隨施加載荷的演化(圖5a1)，進而揭示了層狀結(jié)構(gòu)對Ti/Al復(fù)合材料中組元金屬之間載荷配分行為的影響。結(jié)果表明，Ti/Al層狀復(fù)合材料的單軸拉伸變形可以分為3個階段：彈性變形階段(Stage I)、彈-塑性轉(zhuǎn)變變形階段(Stage II)和塑性變形階段(Stage III)，如圖5a2所示。不同變形階段中的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力傳遞示意圖見圖5b，在Stage I時，軟Al層和硬Ti層中均為彈性變形，晶格應(yīng)變隨施加應(yīng)力呈線性增加。但是Ti的楊氏模量偏離其理論值，而Al的楊氏模量幾乎保持不變，說明在此階段Ti層承受額外的拉伸應(yīng)力，導(dǎo)致了應(yīng)力配分和Ti/Al界面處內(nèi)應(yīng)力的出現(xiàn)，該內(nèi)應(yīng)力隨著彈性應(yīng)變的增大而積累；進一步，由于2種金屬屈服強度的差異，軟Al層優(yōu)先發(fā)生屈服，而硬Ti層仍保持彈性變形，復(fù)合材料變形進入了Stage II。此時，Al層的變形受限于相鄰硬Ti層。因此，為了維持組元金屬的共變形，Ti和Al層之間的強耦合作用導(dǎo)致了沿拉伸方向的內(nèi)應(yīng)力增加；最后，在Stage III時，軟Al層和硬Ti層均發(fā)生塑性變形。在一定程度上，Ti層的塑性變形逐漸提高了Ti和Al層之間的形變相容性，使沿拉伸方向的內(nèi)應(yīng)力減弱。該研究表明彈-塑性轉(zhuǎn)變變形階段中組元金屬之間的應(yīng)力配分可以提高金屬層狀復(fù)合材料的變形相容性，但是會增加界面處的應(yīng)力集中[68]。Kim等[72]運用原位中子衍射技術(shù)表征了孿生誘導(dǎo)塑性鋼/無間隙原子鋼層狀復(fù)合材料的微觀形變，也證實了異質(zhì)界面在層狀復(fù)合材料變形過程中具有載荷傳遞和應(yīng)力配分的作用，進一步揭示了界面處額外GNDs的演變機制。除了上述提及的組元金屬之間的應(yīng)力協(xié)調(diào)與配分，Gu等[73]將原位中子衍射與有限元模擬相結(jié)合，從晶粒尺度對Cu/Nb復(fù)合線材中的彈塑性變形行為進行了全面的研究，在考慮初始殘余應(yīng)力的情況下，實驗和模擬結(jié)果一致表明，Cu中<100>取向晶粒發(fā)生塑性活動時的宏觀應(yīng)力高于<111>取向晶粒。近期，Jiang等[74-76]從組元金屬之間、不同取向晶粒之間的微觀應(yīng)力交互作用角度出發(fā)，借助基于大科學(xué)裝置的高能射線衍射技術(shù)，針對包含hcp結(jié)構(gòu)金屬的Ti/Nb層狀復(fù)合材料的微觀力學(xué)行為進行了系統(tǒng)研究?；谕捷椛涓吣躕射線衍射(high-energy X-ray diffraction，HE-XRD)技術(shù)對晶格應(yīng)變、全應(yīng)力張量進行表征，明確了該復(fù)合材料的持續(xù)強化來源于Nb組元中的異質(zhì)界面誘導(dǎo)強化和位錯強化，復(fù)合材料整體的應(yīng)變硬化來源于Nb中<211>取向晶粒的貢獻；并且首次揭示了剪切帶對組元金屬之間的載荷傳遞有促進作用(圖6)[74]。進一步，將由原位中子衍射獲得的各組元金屬的應(yīng)變硬化行為與位錯類型相關(guān)聯(lián)，揭示了異質(zhì)界面誘導(dǎo)強化與GNDs演化密切相關(guān)；而統(tǒng)計存儲位錯(statistically stored dislocations，SSDs)對異質(zhì)界面誘導(dǎo)強化無顯著貢獻，它們貢獻于材料整體的應(yīng)變硬化[75]。隨后，定量表征了Ti/Nb層狀復(fù)合材料在單軸拉伸變形過程中的組元金屬間微觀交互作用應(yīng)力，并探討了與異構(gòu)變形誘導(dǎo)(hetero-deformation induced，HDI)強/硬化之間的相關(guān)性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，HDI硬化和組元金屬間應(yīng)力隨形變的演化趨勢一致，表明HDI硬化直接關(guān)聯(lián)于金屬層狀復(fù)合材料內(nèi)部的變形不相容性；基于此，建立了組元金屬間微觀交互作用應(yīng)力與HDI硬化之間的定量關(guān)系[76]。上述工作實現(xiàn)了對金屬層狀復(fù)合材料中應(yīng)力狀態(tài)/配分以及微觀形變行為的實驗量化研究，為豐富金屬層狀復(fù)合材料的強韌化基礎(chǔ)理論奠定了基礎(chǔ)。

圖5 Ti/Al層狀復(fù)合材料在單軸拉伸過程中的應(yīng)力配分行為(a)及不同變形階段內(nèi)應(yīng)力演化示意圖(b)[68]Fig.5 Stress partitioning behavior (a)and the corresponding illustration of internal stress evolution (b)of Ti/Al LMCs during the uniaxial tensile deformation[68]

圖6 Ti/Nb層狀復(fù)合材料的微觀組織結(jié)構(gòu)(a)以及在單軸拉伸過程中的微觀力學(xué)行為(b)和全應(yīng)力張量(c)[74]Fig.6 Microstructure (a)，micro-mechanical behavior (b)and complete stress tensor (c)of Ti/Nb LMCs during the tensile deformation [74]

3.2 微觀變形機制

金屬層狀復(fù)合材料在變形時，由于異質(zhì)界面的影響或局部應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)的改變，各組元金屬中的微觀變形機制可能異于塊體金屬，這是金屬層狀復(fù)合材料變形行為的又一特性。借助電子顯微鏡對形變微觀結(jié)構(gòu)的表征，研究者探索了位錯等變形機制與異質(zhì)界面之間的交互作用[47]。對于fcc結(jié)構(gòu)金屬，在異質(zhì)界面的誘導(dǎo)作用下，低層錯能組元(如Ag，Au等)中形成的堆垛層錯/孿晶會穿過異質(zhì)界面使得相鄰高層錯能金屬層中也產(chǎn)生大量的層錯和孿晶。例如，對具有亞微米級層厚的Cu/Ag復(fù)合材料研究發(fā)現(xiàn)，通過不全位錯穿過異質(zhì)界面，Cu中的形變孿生被促進，致使具有中高層錯能(45 mJ·m-2)的金屬Cu在室溫靜態(tài)變形過程中出現(xiàn)孿晶[77]。對于hcp結(jié)構(gòu)金屬，異質(zhì)界面的強約束作用會促使組元金屬開啟本不易開動的滑移體系[66，70，78，79]。例如，Wu等[80]研究表明，在Ti/Al層狀復(fù)合材料的單軸拉伸變形過程中，硬相Ti3Al中出人意料地在室溫下開動了位錯滑移；Jiang等[66]借助先進的衍射峰形輪廓分析方法定量確定了Ti/Nb層狀復(fù)合材料的Ti層中開動了高達30%左右的位錯，這被歸因于剪切帶調(diào)控的應(yīng)力場和異質(zhì)界面處的局部應(yīng)變?nèi)菁{，該種異常開動的位錯使Ti/Nb層狀復(fù)合材料的強度-韌性匹配明顯優(yōu)于其他六方系金屬層狀復(fù)合材料(圖3b)。金屬層狀復(fù)合材料中這種由異質(zhì)界面誘導(dǎo)的微觀變形機制變化也具有尺寸效應(yīng)，其會隨著組元層厚的變化而異。Liu等[81]在Cu/Ni層狀復(fù)合材料中發(fā)現(xiàn)，孿晶片層的厚度強烈依賴于組元層厚，當(dāng)層厚較大時，層狀復(fù)合材料中的異質(zhì)界面為半共格和非共格界面，此時孿晶片層厚度隨層厚的減小而減小；但當(dāng)層厚較小時，異質(zhì)界面為共格界面，此時孿晶片層厚度急劇増加，表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)。

除了直觀地表征形變微觀結(jié)構(gòu)，晶體學(xué)織構(gòu)變化可以敏感地反映材料中開動的變形機制。Beyerlein等借助織構(gòu)表征和后續(xù)數(shù)值模擬手段，研究了Cu/Nb[41]、Zr/Nb[82，83]和Mg/Nb[46]等層狀復(fù)合材料在軋制(即平面應(yīng)變壓縮)變形過程中的微觀變形機制演變。將通過中子衍射獲得的Cu/Nb層狀復(fù)合材料各組元金屬的織構(gòu)結(jié)果與單相塊體Cu、單相塊體Nb和鑄造Cu-20%Nb(質(zhì)量分數(shù))復(fù)合材料的軋制織構(gòu)結(jié)果進行了比較，結(jié)果表明：Cu和Nb層中形成的織構(gòu)與其單相塊體金屬和Cu-20%Nb材料中的經(jīng)典軋制織構(gòu)明顯不同，Cu層中出現(xiàn)了擇優(yōu)強化的β纖維織構(gòu)組分，Nb層中出現(xiàn)了α纖維織構(gòu)強化而γ纖維織構(gòu)減弱的現(xiàn)象。進一步結(jié)合粘塑性自洽多晶模擬揭示了Cu/Nb復(fù)合材料中織構(gòu)演變的內(nèi)在變形機制：Cu組元層為平面滑移，Nb組元層為特定的{110}和{112}滑移系[41]。對于包含有hcp結(jié)構(gòu)金屬的Zr/Nb層狀復(fù)合材料，Carpenter等[83]將中子衍射和基于位錯的多晶塑性本構(gòu)模型相結(jié)合來研究具有不同數(shù)量級層厚的層狀材料的微觀變形機制，發(fā)現(xiàn)納米層狀復(fù)合材料中各組元金屬的織構(gòu)明顯偏離塊體金屬Zr或Nb的軋制織構(gòu)。進一步模擬結(jié)果表明，Nb組元中{112}<111>和{110}<111>滑移共同貢獻于該織構(gòu)演化，Zr組元中柱面滑移和基面滑移主導(dǎo)塑性變形。除位錯滑移和孿生外，剪切帶也是金屬層狀復(fù)合材料中重要的微觀變形機制，其開動和擴展與組元金屬的初始取向和力學(xué)性能密切相關(guān)。Jia等[84-86]使用CPFEM對Cu/Ag、Cu/Nb層狀復(fù)合材料的平面應(yīng)變壓縮變形進行模擬(圖7)，揭示了層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)中的剪切帶擴展和寬化等規(guī)律，從理論角度證實了剪切帶是導(dǎo)致層狀復(fù)合材料中fcc結(jié)構(gòu)金屬織構(gòu)異常演化的根本原因。

圖7 由晶體塑性有限元方法(crystal plasticity finite element method，CPFEM)模擬得到的初始取向為Copper的Cu/Ag雙晶在不同壓下量時的應(yīng)變分布(a)和剪切帶系統(tǒng)的開動情況(b)[84]Fig.7 CPFEM predicted distribution of equivalent logarithmic strain (a)and sum of shear rates on the shear band systems (b)for Cu/Ag bicrystals with initial Copper orientation at different thickness reductions[84]

3.3 強韌化機理

在金屬層狀復(fù)合材料中，傳統(tǒng)金屬材料的強化理論如固溶強化、細晶強化和位錯強化機制也同樣適用。如果組元金屬在變形過程中發(fā)生相變或?qū)\生，那么金屬層狀復(fù)合材料中也會存在相變強化/增韌或?qū)\生強化/增韌機制。此外，金屬層狀復(fù)合材料可被視為人為構(gòu)造的雙相材料，因此基于混合定律的強化理論可以在一定程度上用來初步評估層狀復(fù)合材料的強度。但是由于層狀復(fù)合材料中的尺寸效應(yīng)和異質(zhì)界面的特性，其強度往往會高出混合定律預(yù)測值。最后，值得一提的是，金屬層狀復(fù)合材料也歸屬于非均勻結(jié)構(gòu)材料的范疇，HDI強化機制可以進一步闡明異質(zhì)界面在金屬層狀復(fù)合材料強韌化方面發(fā)揮的重要作用。實際上，層狀復(fù)合材料的最大特點是引入了大量的異質(zhì)界面，這些界面對材料的強韌化至關(guān)重要。由于組元金屬的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)差異，金屬層狀復(fù)合材料在塑性變形過程中會發(fā)生界面約束下的各組元不協(xié)調(diào)變形行為，從而導(dǎo)致在異質(zhì)界面處引入幾何必需位錯以協(xié)調(diào)應(yīng)變梯度，進而對金屬層狀復(fù)合材料整體的力學(xué)行為產(chǎn)生影響。當(dāng)界面處塞積的幾何必需位錯數(shù)量足夠多時，會阻礙后續(xù)的位錯滑移，從而在軟組元金屬中產(chǎn)生長程背應(yīng)力；同時異質(zhì)界面處塞積的幾何必需位錯會在硬組元金屬中產(chǎn)生大小相等方向相反的前應(yīng)力。背應(yīng)力和前應(yīng)力分別造成軟組元金屬的硬化和硬組元金屬的軟化，促進材料進一步產(chǎn)生應(yīng)變硬化和兩組元的協(xié)調(diào)變形，這可以很好地解釋非均勻結(jié)構(gòu)材料打破強度-韌性倒置關(guān)系的物理起源[87，88]。

近來，研究者發(fā)現(xiàn)在金屬層狀復(fù)合材料中的一個典型韌化機制是變形過程中彌散微觀剪切帶/應(yīng)變帶的出現(xiàn)[64，89]。該種彌散剪切帶可以有效地緩解應(yīng)力集中，從而推遲頸縮的發(fā)生。Huang等[64]通過表征Cu/青銅層狀復(fù)合材料在拉伸變形過程中的應(yīng)變分布(圖4a)，發(fā)現(xiàn)了粗晶Cu層和納米晶青銅層中均存在與加載方向成45°角的彌散剪切帶。進一步研究表明，在彈-塑性轉(zhuǎn)變變形階段(Stage II)異質(zhì)界面處的應(yīng)力集中促使了該種彌散剪切帶的萌生；此后粗晶層和相鄰硬組元抑制了剪切帶的失穩(wěn)性擴展，從而導(dǎo)致了彌散的微觀剪切帶形成[89]。

4 結(jié) 語

層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計作為實現(xiàn)金屬材料強度-韌性匹配的有效策略，在高端先進制造領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。對于金屬層狀復(fù)合材料這種典型的層狀非均勻結(jié)構(gòu)而言，通過調(diào)控其內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)特性(異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)、組元層厚等)，進而影響其微觀力學(xué)行為和變形機制，可以開發(fā)出高強高韌結(jié)構(gòu)材料。深入理解金屬層狀復(fù)合材料在服役條件下的形變損傷機理，對該類材料的可控設(shè)計和強韌化新理論的發(fā)展均具有重要意義。因此，將多尺度微觀應(yīng)力/應(yīng)變分析和形變微觀結(jié)構(gòu)表征相結(jié)合，在更深層次上揭示該類材料微觀結(jié)構(gòu)-微觀力學(xué)行為-宏觀力學(xué)性能關(guān)聯(lián)性，建立可靠的強韌化理論和物理模型，將是未來研究的挑戰(zhàn)與熱點。