《力学园地》编辑部： 

　　最近在力学所的科普网页上，看到了杨沐鑫的文字《异构：实现超强高韧的阿里阿德涅线团》，很有意思。能够再多多介绍一点相关的知识吗？ 

　　一个科普爱好者 

　　2020.10.5 

　　材料是一个既古老又充满活力的研究领域，从石器时代开始，人类文明的进步就离不开新材料的发明和应用。从铁器时代至今，人们对金属材料的制备和加工技术不断创新和提高，发现了“百炼成钢”的奥妙所在。金属材料由于拥有良好的加工成型能力一直被广泛的应用在生产生活中的各个角落。将金属材料中晶粒尺寸减小至纳米尺寸制备纳米晶晶体材料，可以显著提高材料的强度和硬度。这里的“晶粒”是指晶体在高温凝固过程中形成的取向（位向）不同的单元。如果把"水立方"看作是一块金属，那外壁面上每一个“水泡”结构就可以算作一个晶粒，而其中所示出的“d”就是晶粒尺度（参见图1）。而材料的“强度”是指材料在抵抗破坏时单位面积上所能承担的最大载荷，它表征材料抵抗破坏的能力；一般而言，人们希望材料有高的强度，这样就不容易被损坏。那么“硬度”呢？它是材料抵抗更硬物体压入其表面的能力，也可以说是抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。材料的强度和硬度是其在应用过程中最关键的两个性能指标。

　　为什么纳米晶可以显著提高材料的强度和硬度？这是因为晶粒尺寸降低，材料内部引入大量的晶界，与材料强度相关的位错运动会受到这些晶界的阻碍，从而强度提高。这里所谓的“晶界”指晶粒的边界，而“位错”则是指晶体材料内部的一种微观缺陷，即原子排列不规则的区域。位错是金属材料发生塑性变形最主要的承载体。但是，由于位错运动的受限，在强度提高的同时,材料的塑性变形能力会显著降低, 难于加工成型。所以，金属材料的强度与塑性就像鱼与熊掌一样，两者存在相互制约的关系，不可兼得。

　　为了解决金属材料中强度与塑性之间的制约关系，学者们通过大量的实验探索提出了“异构”金属的概念。因为材料的微观结构决定其宏观力学性能，所以就设计出在微观尺度上具有不同性能单元的金属材料。图2给出了一些典型的异构形式，如梯度结构（晶粒尺寸呈梯度分布变化）、双峰结构（由两级尺寸的晶粒构成）、层片结构（大小晶粒逐层相间排列）、双相结构（软-硬相晶粒相间排列），纳米孪晶结构（晶粒的内部引入高密度孪晶界）以及多层板结构（不同性能的材料之间通过化学键结合形成，层厚在百微米以内）。这里提到的孪晶（参见图3）是指晶粒内部的两个区域呈镜面对称分布。这个对称面称为孪晶界，它可以和位错发生交互作用，从而影响材料的性能。

　　这些异质结构有一个共同点就是材料内部含有强度不同的单元。“异构”金属即指材料内部具有强度差异较大的微观结构单元。这些微观结构单元可能是因为晶粒尺寸、晶体结构、或者材料成分的差异而带来强度（软硬）的差异。由于强度在空间上的差异，在材料变形过程中，这些软-硬单元之间会产生极大的应变不协调。这样，会在软-硬单元域之间产生很大的“背应力”。背应力是指材料内部软-硬单元在变形过程中变形不一致而产生的相互作用力。一般情况下，软单元提供变形，硬单元提供强度。“异构”金属就得益于这种“背应力”的强化/硬化效应，使得材料能够兼备高强度和高塑性的能力，从而实现强度与塑性的完美匹配。 

　　“异构”作为一种新型的结构设计理念被提出，受到了学者们的广泛关注。特别是，它的基本思路是摒弃常规的合金手段通过添加化学元素来提高材料性能，而是从改变物理结构上来提高材料性能。一般而言，合金中添加的化学元素多是稀有元素，自然界含量少，造价高，会浪费资源和能源。不过，“异构”金属的制备是一个巨大的挑战，和材料领域面临的巨大难题一样，怎样实现工业规模生产的制备技术？怎样降低环境污染和资源浪费？如何满足可持续发展需求？同样摆在研发制备“异构”金属技术的人员面前。但我们相信随着计算技术和分析测试技术的不断发展，人们对“异构”金属的认识会更加深入，对“异构”金属的应用将会更加广泛。