異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料代表了一類創(chuàng)新的材料，其特征在于具有不同的異質(zhì)區(qū)，表現(xiàn)出截然不同的特性。這些異質(zhì)區(qū)域之間的協(xié)同作用導(dǎo)致綜合特性超過(guò)了混合規(guī)則預(yù)測(cè)。在過(guò)去的幾十年里，人們一直致力于定制微觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，包括材料中梯度結(jié)構(gòu)的整合。與均質(zhì)材料相比，這些梯度材料可以表現(xiàn)出非凡的機(jī)械性能，使其成為材料研究前沿極具前景的材料。   

梯度設(shè)計(jì)概念的靈感來(lái)自于自然界中發(fā)現(xiàn)的梯度結(jié)構(gòu)生物材料，這些材料經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的自然選擇而進(jìn)化，以適應(yīng)惡劣的環(huán)境。“梯度”一詞描述了結(jié)構(gòu)或化學(xué)特性的逐漸轉(zhuǎn)變，賦予生物材料前所未有的性能和功能協(xié)同作用。梯度結(jié)構(gòu)材料在生物系統(tǒng)中普遍存在。例如，墨魚骨獨(dú)特的“壁隔”微結(jié)構(gòu)具有波紋度梯度，具有高剛度和能量吸收能力，使墨魚能夠在約 20 個(gè)大氣壓的高水壓下生存（圖 1a）。氟斑牙牙釉質(zhì)由于牙釉質(zhì)棒的梯度取向而表現(xiàn)出優(yōu)異的硬度和耐磨性（圖1b）。木莖年輪的梯度多孔微觀結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的水輸送和機(jī)械魯棒性（圖 1c）。此外，由于具有成分梯度的纖維結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)，連接肌肉和骨骼的肌腱表現(xiàn)出出色的抗疲勞性和靈活的運(yùn)動(dòng)（圖1d）。    

受大自然的啟發(fā)，研究人員試圖實(shí)施一種通過(guò)使用梯度結(jié)構(gòu)來(lái)定制銅特性的新策略，其中晶粒尺寸從核心的粗晶粒減小到表面的納米級(jí)晶粒。有趣的是，這種梯度結(jié)構(gòu)可以在不犧牲太多延展性的情況下賦予金屬和合金高強(qiáng)度，從而克服強(qiáng)度-延展性的權(quán)衡。梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金表現(xiàn)出的這種卓越的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用推動(dòng)了改善其他關(guān)鍵性能的努力，包括斷裂韌性、抗疲勞性、摩擦和耐磨性和耐腐蝕性。梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金的進(jìn)步可以為滿足尖端技術(shù)的嚴(yán)格性能要求提供一種令人信服的方法。  

在過(guò)去的幾十年中，人們已經(jīng)做出了巨大的努力來(lái)解釋梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用如何從不同角度得到改善，包括異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）應(yīng)力，塑性應(yīng)變梯度，孿生和位錯(cuò)相互作用以及晶粒粗化。最近，人們?cè)噲D統(tǒng)一這些觀點(diǎn)，以了解控制強(qiáng)化和應(yīng)變硬化的機(jī)制，這為微觀結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能之間的相關(guān)性提供了見(jiàn)解。到目前為止，梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金已應(yīng)用于多學(xué)科領(lǐng)域，如斷裂力學(xué)、生物力學(xué)、熱力學(xué)、摩擦學(xué)和納米技術(shù)。隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，人們可以通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)梯度結(jié)構(gòu)來(lái)明智地操縱特定應(yīng)用中金屬和合金的性能，如圖2所示。  

南洋理工大學(xué)周琨教授團(tuán)隊(duì)和高華健教授系統(tǒng)地討論了梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金的最新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了它們的分類、制備技術(shù)、基本變形機(jī)理、力學(xué)性能、耐腐蝕性、應(yīng)用和前景。首先，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性對(duì)現(xiàn)有的梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金進(jìn)行分類，并解釋了梯度結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。接下來(lái)，介紹了制造梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金的新興技術(shù)，然后對(duì)可用的制造方法進(jìn)行了比較分析。此外，還闡明了有助于梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金的強(qiáng)化、應(yīng)變硬化和延展性的基本變形機(jī)制，并描述了這些機(jī)制共有的統(tǒng)一原理。此外，本文從實(shí)驗(yàn)、理論和建模的角度總結(jié)了具有結(jié)構(gòu)梯度的金屬和合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性，并介紹了定制其性能的有用策略。最后，我們介紹了梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金設(shè)計(jì)這一新興領(lǐng)域的潛在應(yīng)用和前景。    

相關(guān)研究成果以題“Recent Progress in gradient-structured metals and alloys”發(fā)表在國(guó)際期刊Progress in Materials Science上。  

  鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223004682            

圖1

生物系統(tǒng)中的梯度結(jié)構(gòu)材料：（a）墨魚，墨骨標(biāo)為黃色。左圖顯示了使用 3D μ計(jì)算機(jī)斷層掃描 （CT） 技術(shù)生成的墨骨的壁隔膜結(jié)構(gòu)。右圖顯示了壁隔膜結(jié)構(gòu)的波紋度從頂部輪廓（綠線）到底部輪廓（紅線）減小;（b） 牙齒和牙釉質(zhì)示意圖。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示了琺瑯棒從外琺瑯質(zhì)到內(nèi)琺瑯質(zhì)的梯度取向;（c） 帶年輪的木莖。顯微圖像顯示從早期木材到晚期木材的孔隙率降低;（d） 與骨骼相連的肌腱微觀結(jié)構(gòu)示意圖。礦物質(zhì)成分從肌腱到骨骼增加。（有關(guān)此圖例中對(duì)顏色的引用的解釋，讀者請(qǐng)參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版本)

圖2

梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金（GSMA）的潛在應(yīng)用。

圖3

典型金屬和合金的結(jié)構(gòu)和化學(xué)梯度。結(jié)構(gòu)梯度涉及晶粒尺寸、層狀厚度和孿晶厚度的梯度。化學(xué)梯度涉及相梯度、化學(xué)成分和沉淀物。結(jié)構(gòu)梯度和化學(xué)梯度可以共存。

圖4

梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金的物理后處理和化學(xué)電沉積示意圖。物理后處理技術(shù)包括：（a） SMAT;（b） SMGT;（c） SMRT;（d） 激光沖擊噴丸;（e） 超聲波沖擊噴丸;（f） 旋轉(zhuǎn)加速減震器;（g） 預(yù)扭轉(zhuǎn);（h） 累積輥粘合。（一） 直流電沉積。

圖5

用于制造梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金的3D打印過(guò)程示意圖。（a） 定向能量沉積;（b） 電子束熔化;（c） 激光粉末床熔融。

圖6

背應(yīng)力起源示意圖。（a）在軟域中引起背應(yīng)力和在硬域中引起正向應(yīng)力的幾何必要位錯(cuò)堆積示意圖，其中是施加的剪切應(yīng)力，n 是幾何上必要的位錯(cuò)數(shù)。（b）卸載-再加載曲線示意圖。卸荷曲線從 A 點(diǎn)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)線性段 BC，最后到達(dá) D 點(diǎn)。在重新加載期間，將出現(xiàn)線性段 EF。    

圖7

根據(jù)有限元模擬的晶粒尺寸梯度Cu中的塑性應(yīng)變梯度[181]。（a） 各種應(yīng)變ε軸向應(yīng)力分布;（b） 各種應(yīng)變ε軸向應(yīng)變分布;（c） 梯度應(yīng)力（左）和梯度塑性應(yīng)變（右）在不同應(yīng)變ε下的分布曲線;（d） 梯度結(jié)構(gòu)中幾何上必要的位錯(cuò)分布示意圖。

圖8

梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)中的納米孿晶網(wǎng)絡(luò)。（a）拉伸變形后形成的分層納米孿晶網(wǎng)絡(luò)的透射電子顯微鏡（TEM）圖像，初級(jí)，次級(jí)和三元孿生分別用粉紅色，藍(lán)色和綠色箭頭標(biāo)記[58];（b）分層納米孿晶網(wǎng)絡(luò)的示意圖和原子表示;（c）剪切應(yīng)力驅(qū)動(dòng)和（d）埃謝爾比力驅(qū)動(dòng)結(jié)對(duì)的示意圖。埃謝爾比力源于孿生厚度和晶粒尺寸的空間異質(zhì)性。在埃謝爾比力驅(qū)動(dòng)的解孿過(guò)程中，孿生部分位錯(cuò)從晶界和孿生邊界的交界處成核，并受埃謝爾比力的驅(qū)動(dòng)遷移孿生邊界，導(dǎo)致孿生邊界湮滅。（有關(guān)此圖例中對(duì)顏色的引用的解釋，讀者請(qǐng)參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版本)    

圖9

通過(guò) MD 模擬研究具有晶粒尺寸和孿晶厚度雙梯度的 GNT 結(jié)構(gòu)中的孿晶和位錯(cuò)相互作用 [12]。(a) 通過(guò)組裝兩個(gè)具有均勻?qū)\晶厚度的構(gòu)件 NT-? 和 NT-? 來(lái)構(gòu)建 GNT 結(jié)構(gòu)的原子模型；(b) 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(c) 在納米孿晶晶粒中形成 BCD；(d) BCD位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的放大圖；(e) 從構(gòu)件塊之間的界面到相鄰孿晶邊界（TB）的 I 型位錯(cuò)發(fā)射；(f) I 型位錯(cuò)中伯格斯矢量 DA、DB 和 DC 的示意圖；(g) 從橫向晶界 (GB) 發(fā)射 II 型位錯(cuò)；(h) II 型位錯(cuò)中伯格斯矢量 AB、AC 和 BC 的示意圖；(i) 高位錯(cuò)密度的 BCD 位錯(cuò)圖案，其中綠線為肖克利偏位錯(cuò)，紅線為階梯桿位錯(cuò)；(j) 兩個(gè)肖克利偏態(tài) γD 和 δB 相互作用產(chǎn)生的階梯桿位錯(cuò) δγ/BD 的起源示意圖。（為了解釋該圖例中對(duì)顏色的引用，讀者可以參考本文的網(wǎng)絡(luò)版本。）    

圖10

通過(guò)協(xié)同原子洗牌放大高角度環(huán)形暗場(chǎng)（HAADF）掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像[199]。比例尺為 1 nm。粒子邊界的結(jié)構(gòu)單位由虛線面表示。隨著晶體的遷移，淺藍(lán)色、橙色、粉紅色和綠色的柱子逐漸從左邊的晶體移動(dòng)到右邊的晶體。（有關(guān)此圖例中對(duì)顏色的引用的解釋，讀者請(qǐng)參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版本)。   

圖11

梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金的歸一化強(qiáng)度與均勻伸長(zhǎng)率的阿什比圖，與納米孿晶，多層，位錯(cuò)[217]，晶界，，梯度納米晶（GNG），諧波（HAR）結(jié)構(gòu)，雙峰（BM）結(jié)構(gòu)，層狀結(jié)構(gòu)和梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)（GNT）。    

圖12

晶粒尺寸和孿生厚度雙梯度梯度梯度結(jié)構(gòu)Cu的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。（a） 不同結(jié)構(gòu)梯度梯度結(jié)構(gòu)銅的示意圖和SEM觀測(cè) S.梯度結(jié)構(gòu)的Cu是通過(guò)組裝四個(gè)具有相同體積分?jǐn)?shù)的納米孿晶構(gòu)建塊（A）（B）（C）（D）來(lái)制備的;（b） 梯度結(jié)構(gòu)銅和納米孿晶砌塊的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線;（c） 梯度結(jié)構(gòu)銅和納米孿晶砌塊的加工硬化率與真實(shí)應(yīng)變。    

圖13

具有晶粒尺寸和孿晶厚度雙梯度的 GNT Cu 中的 HDI 應(yīng)力和變形機(jī)制 [13]。(a) 拉伸卸載-再加載曲線；(b) 不同應(yīng)變下的 HDI 應(yīng)力；(c) 不同應(yīng)變下的有效應(yīng)力；（d）1%應(yīng)變下GNT-4樣品中BCD（紅色標(biāo)記）位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的SEM觀察；(e) 不同位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的示意圖；(f) 納米孿晶和 GNT 結(jié)構(gòu)中幾何必要位錯(cuò) (GND) 的形成機(jī)制。對(duì)于均質(zhì)納米孿晶（HNT）結(jié)構(gòu)，不均勻變形導(dǎo)致相鄰納米孿晶之間的開(kāi)口和重疊，并形成幾何上必要的位錯(cuò)以適應(yīng)變形。對(duì)于GNT結(jié)構(gòu)，不均勻變形導(dǎo)致相鄰納米孿晶之間產(chǎn)生不相容的間隙，并形成幾何上必要的位錯(cuò)以確保變形連續(xù)性。（為了解釋該圖例中對(duì)顏色的引用，讀者可以參考本文的網(wǎng)絡(luò)版本。）

梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金的最新進(jìn)展已被證明在各種應(yīng)用中非常有前途，主要是因?yàn)樗鼈兙哂谐錾臋C(jī)械性能。梯度結(jié)構(gòu)的存在提供了高強(qiáng)度，同時(shí)保持了出色的延展性，解決了強(qiáng)度和延展性之間的傳統(tǒng)沖突。這種強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用背后的機(jī)制已經(jīng)從不同的角度進(jìn)行了辨別，包括HDI應(yīng)力，塑性應(yīng)變梯度，位錯(cuò)相互作用和晶粒粗化。盡管在設(shè)計(jì)梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金方面有很多機(jī)會(huì)，但仍有幾個(gè)懸而未決的問(wèn)題和挑戰(zhàn)需要解決。    

第一個(gè)問(wèn)題是制造技術(shù)，特別是具有結(jié)構(gòu)梯度的金屬和合金的 3D 打印。雖然3D打印在打印具有成分梯度的金屬和合金方面是有效的，但對(duì)于具有結(jié)構(gòu)梯度（例如晶粒尺寸梯度）的金屬和合金來(lái)說(shuō)，打印過(guò)程本身具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗枰_控制打印參數(shù)，例如溫度、流速和沉積速率，以實(shí)現(xiàn)所需的結(jié)構(gòu)梯度。克服這一挑戰(zhàn)需要更多地了解這些打印參數(shù)對(duì)微結(jié)構(gòu)形成的影響。留給研究會(huì)的另一個(gè)問(wèn)題是梯度結(jié)構(gòu)的操縱。在納米尺度上控制梯度結(jié)構(gòu)而不引起缺陷或不均勻性是具有挑戰(zhàn)性的。這種限制使得很難獲得可重復(fù)的定制設(shè)計(jì)?？朔@一挑戰(zhàn)需要開(kāi)發(fā)新穎的制造技術(shù)，以提高梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金的精度和可擴(kuò)展性。

第二個(gè)問(wèn)題是建立塑性應(yīng)變梯度和 HDI 應(yīng)力之間聯(lián)系的計(jì)算模型。梯度結(jié)構(gòu)的空間分布將產(chǎn)生塑性應(yīng)變梯度以適應(yīng)塑性變形并形成HDI應(yīng)力，從而產(chǎn)生額外的強(qiáng)化。然而，響應(yīng)多個(gè)結(jié)構(gòu)梯度，塑性應(yīng)變梯度和 HDI 應(yīng)力之間存在很強(qiáng)的非線性耦合。解釋非線性關(guān)系并描述哪種類型的梯度在促進(jìn) HDI 應(yīng)力方面更有效是具有挑戰(zhàn)性的。這需要進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)具有必要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理論框架。此外，幾何上必要的位錯(cuò)可以與位錯(cuò)結(jié)構(gòu)中靜態(tài)存儲(chǔ)的位錯(cuò)相互作用，并堆積起來(lái)產(chǎn)生 HDI 應(yīng)力 。然而，幾何必要位錯(cuò)和靜態(tài)存儲(chǔ)位錯(cuò)之間的相互作用機(jī)制及其與HDI應(yīng)力形成的關(guān)系仍然難以捉摸，需要進(jìn)一步的理論研究來(lái)揭示。梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金也可以具有不同長(zhǎng)度尺度的微觀結(jié)構(gòu)。因此，有必要建立一個(gè)多尺度建?？蚣?，以捕獲梯度結(jié)構(gòu)的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)變化及其對(duì)力學(xué)性能的影響。

第三個(gè)問(wèn)題是缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)策略來(lái)提高梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金的機(jī)械性能，因?yàn)榇嬖谂c梯度結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械性能（例如斷裂和蠕變行為）的影響有關(guān)的知識(shí)差距。為了縮小知識(shí)差距，需要結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行進(jìn)一步的機(jī)械表征。此外，傳統(tǒng)方法確定梯度結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系既耗時(shí)又昂貴。機(jī)器學(xué)習(xí)有望成為設(shè)計(jì)梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金的強(qiáng)大工具，從而降低實(shí)驗(yàn)成本并提高機(jī)械性能。將機(jī)器學(xué)習(xí)引入梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金的設(shè)計(jì)具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，它通過(guò)利用大量的實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)。機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以挖掘出這些材料中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的寶貴見(jiàn)解。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法有助于發(fā)現(xiàn)非直觀的相關(guān)性，從而提高設(shè)計(jì)過(guò)程的有效性。其次，機(jī)器學(xué)習(xí)支持逆向設(shè)計(jì)。它可以從梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金中提取微觀結(jié)構(gòu)特征，將結(jié)構(gòu)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)換為根據(jù)特定屬性要求和設(shè)計(jì)范圍定制的像素材料數(shù)據(jù)庫(kù)。這種像素匹配方法簡(jiǎn)化了梯度結(jié)構(gòu)的快速定制，減少了繁瑣的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和模擬的需要。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)有潛力通過(guò)優(yōu)化打印流程和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整來(lái)徹底改變梯度結(jié)構(gòu)的 3D 打印，適用于從原型到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的廣泛規(guī)模。這種轉(zhuǎn)變最終提高了梯度結(jié)構(gòu)制造的質(zhì)量。    

第四個(gè)問(wèn)題是在跨學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用有限。梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金具有獨(dú)特且可定制的微觀結(jié)構(gòu)，可以提供廣泛的理想性能，例如高強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性，使其適用于各種工程應(yīng)用。然而，它們?cè)诳鐚W(xué)科領(lǐng)域的潛在應(yīng)用在很大程度上仍未得到探索，包括電子、熱電、光催化、光學(xué)和納米技術(shù)。探索這些領(lǐng)域的潛力并揭示潛在的工作機(jī)制將是有趣的。此外，通過(guò)結(jié)合結(jié)構(gòu)和化學(xué)梯度來(lái)豐富梯度結(jié)構(gòu)金屬和合金的功能。結(jié)構(gòu)梯度能夠改善機(jī)械性能，而化學(xué)梯度可以為特定應(yīng)用賦予其他性能。