尋求同時提高工程結(jié)構(gòu)材料多種機(jī)械性能的方法是材料科學(xué)家長期努力的方向。材料科學(xué)家通過從自然材料中獲取靈感，制造出與之相似的材料，這就形成了“向自然學(xué)習(xí)”的概念。自然界中某些生物的獨特結(jié)構(gòu)使其具有良好的機(jī)械性能，使得它們能夠?qū)棺匀唤绲母鞣N惡劣環(huán)境。其中一種結(jié)構(gòu)為梯度結(jié)構(gòu)，自然界中竹子結(jié)構(gòu)便是典型的梯度結(jié)構(gòu)。竹子的維管束結(jié)構(gòu)其密度是從外部向心部逐漸遞減，在維持整體強(qiáng)度和剛度的情況下，其心部具有較好的柔韌性。材料科學(xué)家已經(jīng)成功將梯度結(jié)構(gòu)在多種金屬材料中進(jìn)行復(fù)制并對其機(jī)械性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。相關(guān)研究表明梯度結(jié)構(gòu)金屬材料能在一定程度上打破材料“強(qiáng)度和塑性”的倒置關(guān)系，獲得優(yōu)異的強(qiáng)塑性。 

但是作為工程結(jié)構(gòu)材料，必須進(jìn)一步顯示出可接受的斷裂韌性（或抗損傷能力），以避免實際應(yīng)用中發(fā)生災(zāi)難性的失效。斷裂韌性對大多數(shù)材料的安全應(yīng)用是至關(guān)重要的，它通常是強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。但是一般而言：強(qiáng)度和塑性是由材料的整體變形控制的全局機(jī)械響應(yīng)，而斷裂韌性是裂紋尖端“局部”微觀結(jié)構(gòu)變形的機(jī)械響應(yīng)結(jié)果，斷裂韌性裂紋尖端參與的變形區(qū)域比拉伸整體變形體積小多個數(shù)量級。因此，盡管通過構(gòu)建梯度結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)材料強(qiáng)度和塑性的優(yōu)異組合，但是否能保證其斷裂韌性同樣優(yōu)越，仍是一個亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。同時，梯度結(jié)構(gòu)材料中微觀結(jié)構(gòu)的局部變化可能導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展過程中的裂紋擴(kuò)展阻力發(fā)生變化。因此，揭示梯度結(jié)構(gòu)中微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性對裂紋的啟裂和擴(kuò)展阻力的影響具有非常重要的意義。 

圖1：粗晶，納米晶，粗晶→納米晶梯度結(jié)構(gòu)，以及納米晶→粗晶梯度結(jié)構(gòu)金屬Ni的力學(xué)性能。（a）拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）斷裂韌性J值和裂紋擴(kuò)展長度a的關(guān)系圖；（c）拉伸時抗拉強(qiáng)度 vs. 塑性應(yīng)變能；（d） 抗拉強(qiáng)度 vs. 斷裂韌性值；（e） 抗拉強(qiáng)度 vs. a=~ 1 mm時的斷裂韌性。

在成功制備塊體梯度材料的基礎(chǔ)之上，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心材料動力學(xué)研究部構(gòu)筑材料組李毅研究員和潘杰副研究員與美國加州大學(xué)伯克利分校的Robert O. Ritchie教授展開合作，評估晶粒尺寸跨度從~30 nm到~4 μm的梯度結(jié)構(gòu)（GS）Ni的變形和斷裂行為。我們研究發(fā)現(xiàn)，

1、與脆性的純納米晶和韌性的粗晶Ni相比，梯度結(jié)構(gòu)Ni具有高斷裂韌性，顯示出強(qiáng)度和韌性的最佳組合。梯度材料在拉伸至斷裂的過程中消耗的塑性功明顯高于純粗晶和純納米晶材料，其來源于在裂紋傳播過程中內(nèi)部漸變的微觀結(jié)構(gòu)之間的相互作用。

2、梯度材料的斷裂韌性和變形行為與梯度方向有關(guān)。粗晶到納米晶梯度方向上的起始斷裂韌性（KJIc）比納米晶到粗晶梯度方向的起始斷裂韌性要高。當(dāng)裂紋沿粗晶向納米晶梯度方向擴(kuò)展時，其R曲線（抗裂紋擴(kuò)展阻力曲線）與純粗晶Ni類似，顯示出強(qiáng)度和韌性的最佳組合。

圖2：粗晶（CG），納米晶（NG），粗晶→納米晶梯度結(jié)構(gòu)（CG→NG），以及納米晶→粗晶梯度結(jié)構(gòu)（NG→CG）金屬Ni的裂紋擴(kuò)展行為

裂紋擴(kuò)展初期在粗晶區(qū)域會發(fā)生鈍化，表現(xiàn)為韌性斷裂。然而，在裂紋擴(kuò)展后期，在納米晶區(qū)域誘發(fā)脆性裂紋，并迅速擴(kuò)展失效，發(fā)生不穩(wěn)定的脆性斷裂。由于裂紋擴(kuò)展過程是韌性斷裂向脆性斷裂的轉(zhuǎn)變過程，因此在安全應(yīng)用上需要慎重考量。另一方面，當(dāng)裂紋沿納米晶到粗晶梯度方向擴(kuò)展時，其也表現(xiàn)出優(yōu)于純納米晶Ni的起始斷裂韌性（KJIc）和R曲線，并且裂紋尖端的韌性是不斷增加。此外，當(dāng)裂紋的擴(kuò)展到達(dá)粗晶區(qū)域時，裂紋尖端發(fā)生鈍化。這種裂紋尖端韌性不斷增加而發(fā)生鈍化的過程表明，納米晶到粗晶的梯度方向，是脆性斷裂向韌性斷裂的轉(zhuǎn)變過程，具有優(yōu)異安全應(yīng)用前景。我們的研究成果為梯度材料的實際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。 

上述研究成果于近期發(fā)表在Materials Today （10.101/j.mattod.2019.09.023），文章第一作者為中國科學(xué)院金屬研究所的博士研究生曹汝情。共同第一作者為美國勞倫斯伯克利國家實驗室的于秦博士。相關(guān)工作得到了國家重點研發(fā)計劃（資助號2017YFB0702003）和國家自然科學(xué)基金項目（資助號：51471165）的資助。