這本由中國科學家任職編委的材料領域頂刊，正在發揮它的熱量

1. 對Materials Research Letters期刊及其編委朱運田教授的介紹

1.1 期刊簡介

《Materials Research Letters》期刊簡稱MRL，是由南京理工大學的朱運田教授領銜創辦，2017年進入中科院SCI期刊分區的工程技術1區，被認定為材料科學與工程領域的Top期刊，期編輯部設在南京理工大學材料學院。期刊的編輯委員會由該領域世界頂尖的科學家和學者組成。

同時，該雜志接受原創的研究文章、原創信件、觀點文章，這些文章具有創新性和前瞻性的觀點，以及對關鍵問題的簡要概述。年文章錄用數量才52篇。屬于金屬加工領域的top journal。審稿專業，高效。

1.2 朱運田教授介紹

朱運田教授本科畢業于合肥工業大學，于1989年先后在美國俄勒岡研究生科技學院及德克薩斯大學獲得碩士和博士學位。現為美國北卡羅來納州州立大學教授，南京理工大學材料學院院長，同時兼任香港城市大學講座教授。是一位在國際上有重要影響力的材料科學家。朱運田教授主要在納米晶/超細晶金屬與合金、炭納米管的合成與應用領域開展研究工作， 2010年度當選美國材料學會會士(ASM Fellow)，獲得2010年度美國礦物、金屬與材料學會材料加工與制造領域杰出科學家/工程師獎和北卡州立大學杰出研究獎，在《自然：材料》、《自然：納米技術》等期刊發表論文230余篇。在2016年，與中科院金屬研究所盧柯院士一同當選美國TMS學會會士。本文在介紹由他創辦的MRL期刊額同時會介紹朱運田教授在MRL期刊所發表的一些論文。

2. Materials Research Letters期刊涵蓋的范圍及文章特點解析

MRL編輯委員會成員們對投稿文章嚴格把關，高效編審，力爭每一篇高水平文章都可以在最短的時間內見刊。MRL要求刊登的文章內容嚴謹、創新性強，以確保期刊的高水平和高影響力，2019年-2020年度，目前該期刊的影響因子已經高達6.6，2021年的影響因子暫未公布。MRL所涉及的科學領域包括材料工程與技術、材料物理與化學、新型和新興材料，包括的學科如下：

1）金屬材料與冶金

2）先進陶瓷材料(結構和功能陶瓷)

3）聚合物材料(結構和功能聚合物及其復合材料)

4）能源材料(太陽能、電池、燃料電池、超級電容器、儲氫和核能)

5）功能材料(電子材料、電介質材料、鐵質材料、磁性材料、光學材料和光子材料)

6）低維材料(2D和納米結構材料，如納米片、管、線和帶)

MRL期刊雖然是國產期刊，但是自創辦以來，發展良好，這主要來源于編輯對文章質量的宏觀把控以及嚴格的評審要求。對每一篇文章，基本邀請的是該領域頂尖的科學家來評審，其評審質量好，對文章字數和內容要求嚴格，尤其是文章的創新和邏輯性，期刊論文整體質量非常好。

3. 影響因子走勢分析

該期刊創辦于2013年，屬于“年輕”一代的期刊，但其發展非常好，影響因子一路飆升。如圖1所示，在2018年，高達7.4的影響因子讓其一度炙手可熱，中科院也評選它為一區頂刊。2019年雖然略有降低，但這并不影響它依然是非常優秀的期刊。文章質量可以媲美老牌期刊Scripta Mater等。在短期內取得良好的口碑和影響力，可謂是國產期刊的驕傲。如果緊抓文章質量并繼續邀請國內外著名學者擔任審稿人，相信該期刊還可以百尺竿頭更進一步。

圖1 MRL期刊影響因子走勢

4. 最近經典文章的解讀

MRL期刊收集的論文涉及到能源，催化，陶瓷以及傳統金屬等材料，發文量不多，但每一篇接受的論文都可謂是佼佼者。面面俱到的介紹最近的論文未免有膚淺之感，在這里筆者就金屬材料的背應力強化問題給家進行深度的解讀。由于背應力強化金屬材料是一種新的機制，可以同時提高材料的強塑性，因此逐漸成為了研究熱點，MRL期刊也收錄了好幾篇這方面的論文，其中幾篇則由朱運田教授署名或者作為通訊和一作。從理論深度和工程應用方面都對背應力強化進行了深入解讀。

1) 梯度材料中的背應力強化和加工硬化

梯度結構是一種可以用來同時強塑化金屬材料的特殊結構。盧柯院士在納米梯度銅中的研究表明，由于心部粗晶約束著表面納米層，導致材料在強化的時候還伴隨一定的塑性。由于銅中的納米結構不穩定，在塑性拉伸的過程中，力學驅動晶粒生長成為了主要的變形機制。但是在鋼等穩定的結構中，由于應變梯度的存在和應力狀態的變化導致了額外的應變硬化，從而產生幾何必須位錯(GNDs)，并促進了位錯的產生和相互作用。在實際的計算中，梯度材料所產生的強化作用總是要比理論值大，因此梯度材料的變形機制還存在一些未知的東西需要研究。

梯度結構可以近似地看成是多個薄層隨著晶粒尺寸的增大而形成的整體。梯度結構在應變作用下，由于不同流動特性和應力的相鄰層之間的塑性不相容而發生不均勻變形。不均的變形通常會在材料內部引發一定的背應力，其減少了位錯滑移的剪切應力。在不均勻的結構中，應變總是不兼容但連續的，這導致應變梯度的產生，需要GNDs來調節。背應力強化和背應力應變硬化是強度和塑性良好結合的主要原因。在本文中，作者以IF鋼為研究對象，研究了梯度材料中的背應力強化并給出了相關方程（基于加載卸載的遲滯現象）。在卸載過程中，背應力開始克服外加應力和摩擦應力，使位錯向后滑動，其可以表示為σ_b?= σ_u + σ_f。而在重新加載過程中，施加應力需要克服背應力和摩擦應力，使位錯向前移動，這個過程可以表示為σ_r?= σ_b?+ σ_f。通過結合這兩個方程，可以計算出背應力的值。在方程中，σ_b代表背應力，σ_u是外加應力，σ_f為摩擦力。利用提出的方程來計算IF鋼的背應力強化，發現其與試驗所測的數據非常吻合。

圖2 （a）卸載-再加載回路曲線，其中的字母所代表的含義分別是卸載屈服σu，σr、背應力σb、摩擦應力σf、有效卸載楊氏模量Eu、有效再加載楊氏模量Er；（b）用σu和σr定義了GS IF鋼試樣的卸載-再加載回路曲線[1]。

2) 不均勻結構的層次特征導致高熵合金優異的強塑性結合

高熵合金由于一系列非常優異的性能，是近幾年金屬材料領域研究的熱點材料。這類合金成分復雜，可以通過各種機制進行強化，因此其研究內容非常廣泛。在本文中，作者提出了一種新的方法，將分層微觀結構特征和非均勻晶粒結構的優點結合起來，以實現同時提高強度和塑性。文中所研究的材料為Al_0.3CoCrFeNi合金，處理工藝為冷軋(30%和50%)和退火(800℃/50h)。經過處理后的材料微觀結構為長條狀晶粒，在集體中還分布著B₂粒子(各種尺寸和形貌)。另外，在晶粒內部還有退火孿晶的形成，其與彌散分布的尺寸變化的B₂粒子共同組成分層微觀結構特征和非均勻的基體晶粒。

力學性能測試顯示合金具有優異的強塑性結合。B₂粒子可以阻礙基體晶粒在變形過程中位錯的運動，因此具有一定的強化作用。另外，B₂粒子減少了基體中的Al元素，進一步降低了合金的層錯能，在變形過程中促進納米孿晶的形成。納米孿晶在變形過程中進一步阻礙了位錯的運動，導致明顯的動態Hall-Patch效應，強化了合金。另外，納米孿晶增強了加工硬化效應和并致使合金的塑性提高。

另外，該文還進一步實施了加載—卸載試驗，探討了不同結構之間背應力導致的強化。研究表明，B₂粒子和周圍的基體變形能力不同，變形時在二者的界面處會形成幾何位錯密度的堆積，從而導致背應力強化。

圖3 分層微觀結構特征和非均勻晶粒結構組成的高熵合金的背應力強化[2]

3）綜述不均勻結構導致的強塑化

非均質材料可以定義為從一個區域到另一個區域強度具有顯著非均質性的材料。這種強度非均質性可以由微觀結構非均質性、晶體結構非均質性或成分非均質性引起。區域的大小可以在微米到毫米的范圍內，并且區域可以來自不同的材料體系。非勻質材料的變形一般可以分成三個階段：

1) 軟和硬晶粒（區域）彈性變形，這與傳統的均質材料相似；

2) 軟晶粒開始通過位錯滑移啟動塑性變形，而硬晶粒保持彈性變形，導致力學性能的不兼容性。由于材料是一個整體，受到硬晶粒的約束，軟晶粒不能夠自由的變形，這樣導致在靠近二者界面附近的軟晶粒中出現應變梯度。應變梯度需要幾何必須位錯的調控，導致材料的協同強化，從而提高其屈服強度。

3) 軟和硬晶粒同時塑性變形，但是軟晶粒維持更大的塑性應該變，產生應變偏析。當相鄰晶粒承受不同的塑性應變時，在晶界附近可能存在應變梯度。隨著應變偏析的增加，這些應變梯度將變得更大，從而產生背應力加工硬化。背應力加工硬化有助于在拉伸試驗中防止頸縮，從而提高塑性。這就是為什么雙相鋼具有非凡的加工硬化，從而具有較高的延展性的主要原因。

一般來說，在金屬材料的塑性變形過程中，會產生兩種位錯，統計存儲位錯和幾何必須位錯。在傳統的勻質材料中，幾何必須位錯和儲存位錯對材料的流動應力貢獻基本一致。但是在非勻質材料中，幾何位錯密度產生的背應力強化是非常明顯的，必須予以考慮。背應力與塑性應變梯度有關。塑性應變是由位錯的滑移產生的，每個位錯在其尾跡中留下一個伯格斯向量的位移。位錯在靠近邊界的地方不斷堆積產生長程應力場，從而可以連續不斷的阻礙位錯的運動，從而產生背應力，導致一定的加工硬化，同時提高材料的強塑性。

另外，該文最后提出了設計非勻質結構的標準，首先盡可能設計更多的界面，這樣才能更多地累積位錯密度，從而導致更大的背應力。其次，在非勻質晶粒中最大化應變偏析，這將因此增加應變梯度和背應力加工硬化。

圖4 (A)幾何必要位錯的堆積示意圖。(B)塑性應變和應變梯度作為距離域界面的函數。(C)有效應力(=外加應力?背應力)作為到域界面距離的函數[3]。

4）非勻質變形誘發硬化(HDI)和背應力的展望

非勻質材料(HS)在最近幾年受到了國內外學者的廣泛關注，其研究團隊和發文數量不斷攀升，相關國際會議也逐漸召開。在后納米時代，非勻質材料在可預見的時間內將會不斷地成為熱點。到目前為止，已發現的非勻質結構主要包括不均勻的片層結構，梯度結構，層狀結構，雙相結構，雙態組織以及金屬基復合材料。這些結構有個共同的特點，就是微觀組織都由軟區域和硬區域組成。在拉伸變形的時，軟域首先開始塑性變形，而硬域保持彈性。在這一彈塑性變形階段，幾何必須位錯(GNDs)會被域邊界阻塞并堆積，在軟域內產生長程內應力，即背應力。背應力具有方向性，并抵消了一些外加剪應力，使軟域顯得更強，能夠承受更高的外加應力。正是這種背應力被認為使異質結構材料更強。當軟域和硬域同時塑性變形的時候，軟域維持更大的應變，造成應變的偏析。由于域邊界處的塑性應變必須相同才能保持連續性，因此區域界面附近必須有應變梯度來容納應變偏析。變梯度需要由GNDs調節，從而產生背應力誘發的硬化，這有助于保持塑性。背應力被認為是HS材料中觀察到的強化和額外應變硬化的原因. 背應力也經常與運動硬化有關，這是一個在力學領域廣泛使用的術語，它描述的是一種機械現象，但沒有說明其物理起源。背應力的概念和術語本身在材料學界還存在爭議，一些研究人員更喜歡稱其為長期內應力。

在本文中，作者綜述了背應力的起源，位錯模型及其對材料力學性能的影響。并在此基礎上分析了一些理論的問題并給出了新的解釋和定義。感興趣的研友們可以回看這篇文獻。由于一些問題已經在上述文獻中所提到，筆者就不在一一贅述了。

圖5 非勻質材料的發文量逐年遞增[4]

參考文獻：

[1] Muxin Yang, Yue Pan, Fuping Yuan, Yuntian Zhu & Xiaolei Wu. Back stress strengthening and strain hardening in gradient structure. Mater. Res. Lett., 2016 Vol. 4, No. 3, 145–151

[2] Shivakant Shukla, Deep Choudhuri, Tianhao Wang, Kaimiao Liu, Robert Wheeler, Sarah Williams, Bharat Gwalani & Rajiv S. Mishra. Hierarchical features infused heterogeneous grain structure for extraordinary strength-ductility synergy. MATER. RES. LETT. 2018, VOL. 6, NO. 12, 676–682

[3]?Xiaolei?Wu & Yuntian Zhu. Heterogeneous materials: a new class of materials with unprecedented mechanical properties.?MATER. RES. LETT., 2017 VOL. 5, NO. 8, 527–532

[4] Yuntian Zhu & Xiaolei Wu. Perspective on hetero-deformation induced (HDI) hardening and back stress.?MATER. RES. LETT. 2019, VOL. 7, NO. 10, 393–398

本文由虛谷納物供稿。

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