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，梯度結(jié)構(gòu)被引入到金屬工程材料中。
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，梯度結(jié)構(gòu)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(guó)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。目前為止，合成梯度金屬材料的方法主要工藝主要為：a：表面機(jī)械摩擦處理(SMAT)是對(duì)板狀試樣進(jìn)行表面機(jī)械摩擦處理的一種方法；b：表面機(jī)械磨削處理(SMGT)用于處理圓柱形樣品；c：表面機(jī)械軋制處理(SMRT)用于處理圓柱形樣品；d：高壓扭轉(zhuǎn)變形，是目前應(yīng)用最多的方法之一。這些方法造成的梯度誘導(dǎo)了孿晶，位錯(cuò)以及層錯(cuò)能的梯度。微觀的結(jié)構(gòu)差異改變了宏觀的力學(xué)性能（主要是非均勻的變形行為引起）。納米晶區(qū)強(qiáng)度大，粗晶區(qū)延性好，二者的協(xié)同作用促進(jìn)了金屬材料的高強(qiáng)度和高延性。梯度晶體結(jié)構(gòu)是一種打破強(qiáng)塑性同時(shí)掣肘的很好地方法。TRIP和梯度結(jié)構(gòu)結(jié)合使得奧氏體鋼的塑性增加，但是強(qiáng)度維持不變。梯度結(jié)構(gòu)結(jié)合TWIP可以同時(shí)提高材料的強(qiáng)塑性。納米晶金屬塑性差的主要原因是缺乏加工硬化行為，從而導(dǎo)致早期應(yīng)變局部化和失效。梯度結(jié)構(gòu)可以抑制應(yīng)變局部化的早期發(fā)生。因?yàn)樘荻冉Y(jié)構(gòu)改變了變形機(jī)制，機(jī)械驅(qū)動(dòng)納米晶粒生長(zhǎng)。梯度結(jié)構(gòu)具有彈塑性均質(zhì)性和塑性非均質(zhì)性，從而形成宏觀應(yīng)變梯度。由于不兼容的變形，應(yīng)變梯度將單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槎噍S應(yīng)力。從粗粒度區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變?nèi)ゾ植炕蚝图庸び不?。因此，特殊的?yīng)力分布可能會(huì)增強(qiáng)位錯(cuò)的形核和擴(kuò)展，并導(dǎo)致額外的應(yīng)變硬化。梯度材料單軸變形柯分為三個(gè)階段：1）梯度晶體材料彈性變形；2）中心粗晶層開始變形，但是納米表面層仍然彈性變形；這種不相容性使單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡p軸應(yīng)力；同時(shí)存在兩個(gè)彈塑性界面，并隨外加應(yīng)變的增加而向表面移動(dòng)。出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變梯度，形成協(xié)同強(qiáng)化和背應(yīng)力，提高屈服強(qiáng)度。3）粗晶層和納米晶層均可塑性變形，穩(wěn)定的頸縮首先發(fā)生在納米顆粒層中。然而，頸縮受到穩(wěn)定的粗粒度層的約束。頸縮層與中心穩(wěn)定層的界面附近出現(xiàn)陡峭的應(yīng)變梯度，通過必要的幾何位錯(cuò)和背應(yīng)力的積累促進(jìn)應(yīng)變硬化能力。此外，頸縮/穩(wěn)定界面從表面向中心層遷移，伴隨著高密度位錯(cuò)的積累，提高了應(yīng)變硬化速率，從而提高了梯度晶材料的延性。在梯度結(jié)構(gòu)中，粗晶層中的位錯(cuò)誘導(dǎo)硬化和納米層中的晶界遷移誘導(dǎo)軟化同時(shí)激活。巨大的應(yīng)變硬化能力主要來源于梯度層中由于不均勻變形產(chǎn)生的大量幾何必須位錯(cuò)。梯度組織的應(yīng)變硬化速率可與粗晶組織相當(dāng)。利用納米晶粒優(yōu)越的強(qiáng)度、粗大晶粒良好的塑性和梯度分布，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變?nèi)ゾ钟蚧皖~外應(yīng)變硬化，發(fā)展了強(qiáng)韌性材料。3.1 盧柯院士首次在《Science》雜志報(bào)道梯度銅該文是盧柯院士在國(guó)際上第一次合成梯度金屬材料并引起了國(guó)際間的極大關(guān)注與討論。該文一經(jīng)發(fā)表就引發(fā)了一股研究梯度材料的浪潮。通常納米金屬材料的強(qiáng)度很高，但是由于缺乏加工硬化行為，其塑性極差。該文通過表面塑性摩擦技術(shù)成功制備得了梯度銅，其顯微結(jié)構(gòu)為中心部位的粗晶層，越往表層晶粒越細(xì)，在距離表面深度為150um范圍內(nèi)存在納米梯度層。拉伸性能測(cè)試顯示合成的梯度銅具有10倍于粗晶銅的強(qiáng)度，其塑性基本保持不變。研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械力驅(qū)動(dòng)梯度層中晶粒的生長(zhǎng)是主要的變形機(jī)理。這種變形機(jī)理導(dǎo)致梯度銅在具有高強(qiáng)度的同時(shí)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(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(chǎng)像；F表層5-mm深度中TEM測(cè)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(cè)量的表面高度變化曲線[1]；3.2 Yujie Wei等人在孿晶誘導(dǎo)塑性高錳鋼中報(bào)道3次孿晶變形機(jī)制通過高壓扭轉(zhuǎn)孿晶誘導(dǎo)塑性高錳鋼（這種鋼的力學(xué)性能特點(diǎn)是塑性高，抗拉強(qiáng)度高，但是屈服強(qiáng)度很低），使得合金內(nèi)部沿著軸向形成梯度孿晶結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)使得合金拉伸強(qiáng)度雙倍增加而又不損失其塑性。結(jié)果表明，這種強(qiáng)度-塑性掣肘的規(guī)避是由于在預(yù)扭轉(zhuǎn)和隨后的拉伸變形過程中形成了梯度層次的納米孿晶結(jié)構(gòu)。通過一系列基于晶體塑性的有限元模擬，該文成功解釋了為何梯度孿晶結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致合金強(qiáng)化和塑性保留，以及如何通過激活不同的孿晶體系而導(dǎo)致所觀察到的層級(jí)納米孿晶結(jié)構(gòu)。分層孿晶結(jié)構(gòu)及位錯(cuò)與形變孿晶間的相互作用；在拉伸后，給出了180°預(yù)扭試樣最外層區(qū)域的原子尺度細(xì)節(jié)，并檢查了位錯(cuò)和預(yù)先存在變形孿晶之間的相互作用；(a)從左上到右下的一級(jí)孿晶(粉紅色箭頭)，傾斜方向的二級(jí)孿晶(藍(lán)色箭頭)，與一級(jí)孿晶平行的二級(jí)孿晶之間的短三級(jí)孿晶(綠色箭頭)。(b) HRTEM圖像顯示當(dāng)二孿晶穿過一次孿晶，孿晶交匯開始形成；（c）(b)中的黃色矩形的放大圖像，顯示了初生孿晶和次生孿晶的晶格排列。(d) (b)中的黃色矩形‘d’的近視圖，顯示孿晶交匯附近的完全位錯(cuò)和不全位錯(cuò)；（e）孿晶界上有大量的部分位錯(cuò)；（f）（e）圖中黃色矩形框的反傅里葉轉(zhuǎn)變圖像，表明其位錯(cuò)為1/6[-21-1]不全位錯(cuò)。3.3 研究梯度材料加工硬化行為的經(jīng)典論文該文章可謂是研究梯度材料的經(jīng)典，從理論上深度揭示了梯度材料的變形機(jī)制。主要報(bào)告了在工程材料(如金屬)中的梯度結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的額外應(yīng)變硬化，從而導(dǎo)致高塑性。單軸拉伸下的晶粒尺寸梯度由于不相容變形沿梯度深度的演化而產(chǎn)生宏觀應(yīng)變梯度，將施加的單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為多軸應(yīng)力。從而促進(jìn)了位錯(cuò)的積累和相互作用，導(dǎo)致額外的應(yīng)變硬化，應(yīng)變硬化速率明顯上升。這種特殊的應(yīng)變硬化是梯度結(jié)構(gòu)所固有的，而不存在于均質(zhì)材料中，它提供了一種迄今為止未知的策略，通過構(gòu)筑非均質(zhì)納米結(jié)構(gòu)來開發(fā)強(qiáng)韌性材料。
圖3 硬化速率上升以及額外的應(yīng)變硬化. A 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，應(yīng)變速率為5*10-4s-1.CG代表均勻的粗晶樣品；GS：代表梯度層，厚度約為120 μm：GS–CG：厚度為1mm的梯度-粗晶樣品。NS：納米金屬樣品. GS–CG+：在應(yīng)變分別為0.05, 0.1, 0.15, 和 0.2的加載-卸載樣品. B 應(yīng)變硬化速率-真應(yīng)變曲線；C維氏顯微硬度(H) vs深度曲線；(D)不同拉伸應(yīng)變后δ H (H增量)vs深度的曲線。
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