許多生物材料在局部化學(xué)組成或成分以及結(jié)構(gòu)特征上表現(xiàn)出空間梯度，這樣的空間梯度提高了生物材料的力學(xué)性能并賦予一定功能。為了優(yōu)化力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)梯度被引入到金屬工程材料中。但在如何合成這種具有空間梯度的金屬材料，一直充滿著挑戰(zhàn)。從結(jié)構(gòu)的提出到實(shí)驗(yàn)室的成功合成，該過程經(jīng)歷了10年之久。第一個(gè)成功合成梯度結(jié)構(gòu)金屬材料的是我國沈陽金屬研究所的盧柯院士，并將成果發(fā)表在了Science期刊上，繼而后來引發(fā)了全世界的科研浪潮。到目前為止，關(guān)于梯度結(jié)構(gòu)金屬材料的研究已經(jīng)有不少發(fā)表在了Science期刊上，下面筆者給大家分享，看看這種結(jié)構(gòu)是具有那些優(yōu)越性，是如何提高材料力學(xué)性能的。

1. Suresh, S. Graded materials for resistance to contact deformation and damage. Science 292, 2447–2451 （2001）。

在該文發(fā)表之前，科學(xué)家已經(jīng)認(rèn)識到了梯度材料在在各種學(xué)科中，如摩擦學(xué)、地質(zhì)學(xué)、光電子學(xué)、生物力學(xué)、斷裂力學(xué)和納米學(xué)等學(xué)科的重要性。該文則是一片綜述性文章，全面綜述了通過這種梯度結(jié)構(gòu)，表面對正常和滑動接觸或沖擊的破壞和失效阻力可以發(fā)生實(shí)質(zhì)性的改變。這篇綜述評估了目前對梯度材料抗接觸變形和損傷的理解，為梯度材料的力學(xué)變形機(jī)理的理解提供了很好地第一手資料，這為開發(fā)并利用梯度材料提供了理論支撐。該文還進(jìn)一步概述了梯度材料未來的研究方向和可能的應(yīng)用。這篇文章的引用非常大，是研究并理解梯度結(jié)構(gòu)材料很好地可讀性文章。

圖1 纖維取向中的彈性梯度、應(yīng)力梯度對層壓痕損傷的影響[1]。

2. Fang, T., Tao, N. & Lu, K. Revealing extraordinary intrinsic tensile plasticity in gradient nano-grained copper. Science 331, 1587–1590 （2011）。

這篇文章為盧柯組第一次報(bào)道梯度納米金屬材料，在納米金屬材料中，材料塑性變形所需的位錯(cuò)滑移被抑制，而晶界遷移和擴(kuò)散蠕變成為主要機(jī)制，在室溫時(shí)，這兩種機(jī)制不能充分滿足塑性變形。之前的研究報(bào)道，如果能夠抑制納米金屬的應(yīng)力集中，則可以提高它的塑性。他們利用表面研磨技術(shù)成功合成了梯度納米金屬銅，其微觀結(jié)構(gòu)為納米晶粒被粗晶包圍，中間則為過渡尺寸的晶粒。通過拉伸實(shí)驗(yàn)表明：梯度納米金屬銅展示了10倍于粗晶銅的拉伸強(qiáng)度，但其塑性并未下降，且維持拉伸真應(yīng)變超過100%而無裂紋產(chǎn)生。通過TEM等表征，他們發(fā)現(xiàn)晶界遷移伴隨晶粒長大是梯度納米金屬銅的變形機(jī)制。圖2 表示了該材料的微觀結(jié)構(gòu)以及拉伸曲線。梯度NG結(jié)構(gòu)獨(dú)特的固有塑性為優(yōu)化塊體材料的綜合力學(xué)性能提供了潛力。該文一經(jīng)發(fā)表就引起了科學(xué)界的熱議，起初大家都認(rèn)為梯度納米材料在現(xiàn)實(shí)工藝中很難實(shí)現(xiàn)，后來大家都開始跟風(fēng)做，在美國2015年材料學(xué)會秋季會議上，與會專家專門設(shè)置了研討“梯度納米結(jié)構(gòu)材料”的分會。

圖2 梯度納米Cu材料的微觀組織及其力學(xué)性能。A 拉伸試樣的示意圖；B和C 拉伸實(shí)驗(yàn)的橫截面部分，暗藍(lán)色為梯度納米層，藍(lán)色為粗晶變形層，青藍(lán)色為粗晶基體層；D 為橫截面的SEM照片；E 為橫截面的透射明場像；F 表層5-mm深度中TEM測量的橫向粒度分布；G 平均晶粒大小隨深度的變化（為粉線以上的圖）；A：粗晶銅和梯度納米晶銅準(zhǔn)靜態(tài)拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；B：粗晶銅和梯度納米晶銅拉伸前后測量的表面高度變化曲線[2]。

3. Thevamaran, R. et al. Dynamic creation and evolution of gradient nanostructure in single-crystal metallic microcubes. Science 354, 312–316 （2016）。

該文演示了在最初接近無缺陷的單晶銀微立方體中極端梯度納米顆粒結(jié)構(gòu)的動態(tài)創(chuàng)建和隨后的靜態(tài)演化。極端的納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是由高應(yīng)變率，應(yīng)變梯度，和再結(jié)晶在高速沖擊微立方體造成的。首先作者以自下而上的接種方法生長過程合成了銀微立方體，并使用先進(jìn)的激光誘導(dǎo)彈丸沖擊測試裝置選擇性地以超音速發(fā)射它們，以用來轟擊樣品。該文對變形立方體提供了新的見解，并揭示了高速碰撞對晶體和樣品形狀的影響。在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_發(fā)高強(qiáng)度和高韌性工程應(yīng)用的梯度納米顆粒金屬提供了前景廣闊的途徑，例如，在飛機(jī)和航天器的結(jié)構(gòu)部件中。

圖3高度可調(diào)的結(jié)構(gòu)梯度，增強(qiáng)金屬的強(qiáng)度和延展性 沖擊20小時(shí)后，觀察了Ag微立方體的變形模式和GNG組織的形成[3]。

4. Cheng, Z., Zhou, H., Lu, Q., Gao, H. & Lu, L. Extra strengthening and work hardening in gradient nanotwinned metals. Science 362, eaau1925 （2018）。

梯度結(jié)構(gòu)在自然界中廣泛存在，并越來越多地應(yīng)用于工程中。然而，理解所有梯度結(jié)構(gòu)中與結(jié)構(gòu)梯度相關(guān)的力學(xué)行為，包括工程材料，一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。該文在純銅中探索了具有高度可調(diào)結(jié)構(gòu)梯度的梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。一個(gè)大的結(jié)構(gòu)梯度允許優(yōu)越的加工硬化和強(qiáng)度，可以超過那些最強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)組件。通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和原子模擬，發(fā)現(xiàn)這種不尋常的行為是由晶粒內(nèi)部超高密度位錯(cuò)的獨(dú)特圖案所引起的。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了梯度結(jié)構(gòu)，而且可能為通過梯度設(shè)計(jì)提高材料力學(xué)性能指明了一條前景廣闊的途徑。

圖4在孿晶界（TB）間距和晶粒尺寸上都有空間梯度的梯度納米孿晶組織提供了一種不同尋常的強(qiáng)度、均勻伸長和加工硬化組合，優(yōu)于其最強(qiáng)成分和現(xiàn)有的通過梯度納米孿晶（GNG）、均勻納米孿晶的非均勻強(qiáng)化方法（NT）和多層微觀結(jié)構(gòu)[4]。

5. Lu, L., Chen, X., Huang, X. & Lu, K. Revealing the maximum strength in nano-twinned copper. Science 323, 607–610 （2009）。

多晶材料的強(qiáng)度隨晶粒尺寸的減小而增大。低于臨界尺寸時(shí)，更小的晶粒可能導(dǎo)致軟化，正如原子模擬所揭示的那樣。當(dāng)形變機(jī)制由晶格位錯(cuò)活動轉(zhuǎn)變?yōu)榕c晶粒邊界有關(guān)的過程時(shí)，應(yīng)出現(xiàn)最強(qiáng)尺寸。該文研究了不同孿晶厚度的納米孿晶銅樣品的最大強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度隨孿晶厚度的減小而增加，在15納米處達(dá)到最大值，隨后在較小的值處出現(xiàn)軟化，并伴隨著應(yīng)變硬化和拉伸延展性的增強(qiáng)。強(qiáng)度最大的孿晶厚度的產(chǎn)生源于屈服機(jī)制中由跨孿晶界的滑移轉(zhuǎn)移到已有的易位錯(cuò)源的活動。

圖5（A）形變樣品的典型明亮透射電鏡圖像顯示晶格位錯(cuò)的纏結(jié)；（B） HRTEM圖像顯示，試樣拉伸變形到30%的塑性應(yīng)變TB處有高密度的堆垛層錯(cuò)（SF）；（C）TBs處的肖克利不全位錯(cuò)和堆垛層錯(cuò)的排列[5]。

參考文獻(xiàn)

[1] Suresh, S. Graded materials for resistance to contact deformation and damage. Science 292, 2447–2451 （2001）。

[2] Fang, T., Tao, N. & Lu, K. Revealing extraordinary intrinsic tensile plasticity in gradient nano-grained copper. Science 331, 1587–1590 （2011）。

[3] Thevamaran, R. et al. Dynamic creation and evolution of gradient nanostructure in single-crystal metallic microcubes. Science 354, 312–316 （2016）。

[4] Cheng, Z., Zhou, H., Lu, Q., Gao, H. & Lu, L. Extra strengthening and work hardening in gradient nanotwinned metals. Science 362, eaau1925 （2018）

[5] Lu, L., Chen, X., Huang, X. & Lu, K. Revealing the maximum strength in nano-twinned copper. Science 323, 607–610 （2009）。