許多生(shēng)物(wù)材料在局部化學組成或成分(fēn)以及結構特征上表現出空間梯度，這樣的空間梯度提高了生(shēng)物(wù)材料的力學性能并賦予一(yī)定功能。爲了優化力學性能，梯度結構被引入到金屬工(gōng)程材料中(zhōng)。
許多生(shēng)物(wù)材料在局部化學組成或成分(fēn)以及結構特征上表現出空間梯度，這樣的空間梯度提高了生(shēng)物(wù)材料的力學性能并賦予一(yī)定功能。爲了優化力學性能，梯度結構被引入到金屬工(gōng)程材料中(zhōng)。但在如何合成這種具有空間梯度的金屬材料，一(yī)直充滿着挑戰。從結構的提出到實驗室的成功合成，該過程經曆了10年之久。第一(yī)個成功合成梯度結構金屬材料的是我(wǒ)國沈陽金屬研究所的盧柯院士，并将成果發表在了Science期刊上，繼而後來引發了全世界的科研浪潮。目前爲止，合成梯度金屬材料的方法主要工(gōng)藝主要爲：a：表面機械摩擦處理(SMAT)是對闆狀試樣進行表面機械摩擦處理的一(yī)種方法；b：表面機械磨削處理(SMGT)用于處理圓柱形樣品；c：表面機械軋制處理(SMRT)用于處理圓柱形樣品；d：高壓扭轉變形，是目前應用最多的方法之一(yī)。這些方法造成的梯度誘導了孿晶，位錯以及層錯能的梯度。微觀的結構差異改變了宏觀的力學性能（主要是非均勻的變形行爲引起）。納米晶區強度大(dà)，粗晶區延性好，二者的協同作用促進了金屬材料的高強度和高延性。梯度晶體(tǐ)結構是一(yī)種打破強塑性同時掣肘的很好地方法。TRIP和梯度結構結合使得奧氏體(tǐ)鋼的塑性增加，但是強度維持不變。梯度結構結合TWIP可以同時提高材料的強塑性。納米晶金屬塑性差的主要原因是缺乏加工(gōng)硬化行爲，從而導緻早期應變局部化和失效。梯度結構可以抑制應變局部化的早期發生(shēng)。因爲梯度結構改變了變形機制，機械驅動納米晶粒生(shēng)長。梯度結構具有彈塑性均質性和塑性非均質性，從而形成宏觀應變梯度。由于不兼容的變形，應變梯度将單軸應力轉變爲多軸應力。從粗粒度區域可以實現應變去(qù)局部化域和加工(gōng)硬化。因此，特殊的應力分(fēn)布可能會增強位錯的形核和擴展，并導緻額外(wài)的應變硬化。梯度材料單軸變形柯分(fēn)爲三個階段：1）梯度晶體(tǐ)材料彈性變形；2）中(zhōng)心粗晶層開(kāi)始變形，但是納米表面層仍然彈性變形；這種不相容性使單軸應力轉變爲雙軸應力；同時存在兩個彈塑性界面，并随外(wài)加應變的增加而向表面移動。出現應力應變梯度，形成協同強化和背應力，提高屈服強度。3）粗晶層和納米晶層均可塑性變形，穩定的頸縮首先發生(shēng)在納米顆粒層中(zhōng)。然而，頸縮受到穩定的粗粒度層的約束。頸縮層與中(zhōng)心穩定層的界面附近出現陡峭的應變梯度，通過必要的幾何位錯和背應力的積累促進應變硬化能力。此外(wài)，頸縮/穩定界面從表面向中(zhōng)心層遷移，伴随着高密度位錯的積累，提高了應變硬化速率，從而提高了梯度晶材料的延性。在梯度結構中(zhōng)，粗晶層中(zhōng)的位錯誘導硬化和納米層中(zhōng)的晶界遷移誘導軟化同時激活。巨大(dà)的應變硬化能力主要來源于梯度層中(zhōng)由于不均勻變形産生(shēng)的大(dà)量幾何必須位錯。梯度組織的應變硬化速率可與粗晶組織相當。利用納米晶粒優越的強度、粗大(dà)晶粒良好的塑性和梯度分(fēn)布，實現了應變去(qù)局域化和額外(wài)應變硬化，發展了強韌性材料。3.1 盧柯院士首次在《Science》雜(zá)志(zhì)報道梯度銅該文是盧柯院士在國際上第一(yī)次合成梯度金屬材料并引起了國際間的極大(dà)關注與讨論。該文一(yī)經發表就引發了一(yī)股研究梯度材料的浪潮。通常納米金屬材料的強度很高，但是由于缺乏加工(gōng)硬化行爲，其塑性極差。該文通過表面塑性摩擦技術成功制備得了梯度銅，其顯微結構爲中(zhōng)心部位的粗晶層，越往表層晶粒越細，在距離(lí)表面深度爲150um範圍内存在納米梯度層。拉伸性能測試顯示合成的梯度銅具有10倍于粗晶銅的強度，其塑性基本保持不變。研究發現機械力驅動梯度層中(zhōng)晶粒的生(shēng)長是主要的變形機理。這種變形機理導緻梯度銅在具有高強度的同時還能維持很好的塑性。
圖1 梯度納米Cu材料的微觀組織及其力學性能。A 拉伸試樣的示意圖；B和C拉伸實驗的橫截面部分(fēn)，暗藍(lán)色爲梯度納米層，藍(lán)色爲粗晶變形層，青藍(lán)色爲粗晶基體(tǐ)層；D爲橫截面的SEM照片；E爲橫截面的透射明場像；F表層5-mm深度中(zhōng)TEM測量的橫向粒度分(fēn)布；G平均晶粒大(dà)小(xiǎo)随深度的變化（爲粉線以上的圖）；A粗晶銅和梯度納米晶銅準靜态拉伸工(gōng)程應力-應變曲線；B：粗晶銅和梯度納米晶銅拉伸前後測量的表面高度變化曲線[1]；3.2 Yujie Wei等人在孿晶誘導塑性高錳鋼中(zhōng)報道3次孿晶變形機制通過高壓扭轉孿晶誘導塑性高錳鋼（這種鋼的力學性能特點是塑性高，抗拉強度高，但是屈服強度很低），使得合金内部沿着軸向形成梯度孿晶結構。此結構使得合金拉伸強度雙倍增加而又(yòu)不損失其塑性。結果表明，這種強度-塑性掣肘的規避是由于在預扭轉和随後的拉伸變形過程中(zhōng)形成了梯度層次的納米孿晶結構。通過一(yī)系列基于晶體(tǐ)塑性的有限元模拟，該文成功解釋了爲何梯度孿晶結構會導緻合金強化和塑性保留，以及如何通過激活不同的孿晶體(tǐ)系而導緻所觀察到的層級納米孿晶結構。分(fēn)層孿晶結構及位錯與形變孿晶間的相互作用；在拉伸後，給出了180°預扭試樣最外(wài)層區域的原子尺度細節，并檢查了位錯和預先存在變形孿晶之間的相互作用；(a)從左上到右下(xià)的一(yī)級孿晶(粉紅色箭頭)，傾斜方向的二級孿晶(藍(lán)色箭頭)，與一(yī)級孿晶平行的二級孿晶之間的短三級孿晶(綠色箭頭)。(b) HRTEM圖像顯示當二孿晶穿過一(yī)次孿晶，孿晶交彙開(kāi)始形成；（c）(b)中(zhōng)的黃色矩形的放(fàng)大(dà)圖像，顯示了初生(shēng)孿晶和次生(shēng)孿晶的晶格排列。(d) (b)中(zhōng)的黃色矩形‘d’的近視圖，顯示孿晶交彙附近的完全位錯和不全位錯；（e）孿晶界上有大(dà)量的部分(fēn)位錯；（f）（e）圖中(zhōng)黃色矩形框的反傅裏葉轉變圖像，表明其位錯爲1/6[-21-1]不全位錯。3.3 研究梯度材料加工(gōng)硬化行爲的經典論文該文章可謂是研究梯度材料的經典，從理論上深度揭示了梯度材料的變形機制。主要報告了在工(gōng)程材料(如金屬)中(zhōng)的梯度結構會産生(shēng)獨特的額外(wài)應變硬化，從而導緻高塑性。單軸拉伸下(xià)的晶粒尺寸梯度由于不相容變形沿梯度深度的演化而産生(shēng)宏觀應變梯度，将施加的單軸應力轉化爲多軸應力。從而促進了位錯的積累和相互作用，導緻額外(wài)的應變硬化，應變硬化速率明顯上升。這種特殊的應變硬化是梯度結構所固有的，而不存在于均質材料中(zhōng)，它提供了一(yī)種迄今爲止未知(zhī)的策略，通過構築非均質納米結構來開(kāi)發強韌性材料。
圖3 硬化速率上升以及額外(wài)的應變硬化. A 工(gōng)程應力應變曲線，應變速率爲5*10-4s-1.CG代表均勻的粗晶樣品；GS：代表梯度層，厚度約爲120 μm：GS–CG：厚度爲1mm的梯度-粗晶樣品。NS：納米金屬樣品. GS–CG+：在應變分(fēn)别爲0.05, 0.1, 0.15, 和 0.2的加載-卸載樣品. B 應變硬化速率-真應變曲線；C維氏顯微硬度(H) vs深度曲線；(D)不同拉伸應變後δ H (H增量)vs深度的曲線。
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