尋求同時提高工程結構材料多種機械性能的方法是材料科學家長期努力的方向。材料科學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“向自然學習”的概念。自然界中某些生物的獨特結構使其具有良好的機械性能，使得它們能夠對抗自然界的各種惡劣環境。其中一種結構為梯度結構，自然界中竹子結構便是典型的梯度結構。竹子的維管束結構其密度是從外部向心部逐漸遞減，在維持整體強度和剛度的情況下，其心部具有較好的柔韌性。材料科學家已經成功將梯度結構在多種金屬材料中進行復制并對其機械性能進行系統研究。相關研究表明梯度結構金屬材料能在一定程度上打破材料“強度和塑性”的倒置關系，獲得優異的強塑性。 

但是作為工程結構材料，必須進一步顯示出可接受的斷裂韌性（或抗損傷能力），以避免實際應用中發生災難性的失效。斷裂韌性對大多數材料的安全應用是至關重要的，它通常是強度和塑性的綜合指標。但是一般而言：強度和塑性是由材料的整體變形控制的全局機械響應，而斷裂韌性是裂紋尖端“局部”微觀結構變形的機械響應結果，斷裂韌性裂紋尖端參與的變形區域比拉伸整體變形體積小多個數量級。因此，盡管通過構建梯度結構可以實現材料強度和塑性的優異組合，但是否能保證其斷裂韌性同樣優越，仍是一個亟待解決的關鍵科學問題。同時，梯度結構材料中微觀結構的局部變化可能導致裂紋擴展過程中的裂紋擴展阻力發生變化。因此，揭示梯度結構中微觀結構的不均勻性對裂紋的啟裂和擴展阻力的影響具有非常重要的意義。 

圖1：粗晶，納米晶，粗晶→納米晶梯度結構，以及納米晶→粗晶梯度結構金屬Ni的力學性能。（a）拉伸應力-應變曲線；（b）斷裂韌性J值和裂紋擴展長度a的關系圖；（c）拉伸時抗拉強度 vs. 塑性應變能；（d） 抗拉強度 vs. 斷裂韌性值；（e） 抗拉強度 vs. a=~ 1 mm時的斷裂韌性。

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

1、與脆性的純納米晶和韌性的粗晶Ni相比，梯度結構Ni具有高斷裂韌性，顯示出強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部漸變的微觀結構之間的相互作用。

2、梯度材料的斷裂韌性和變形行為與梯度方向有關。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。當裂紋沿粗晶向納米晶梯度方向擴展時，其R曲線（抗裂紋擴展阻力曲線）與純粗晶Ni類似，顯示出強度和韌性的最佳組合。

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

裂紋擴展初期在粗晶區域會發生鈍化，表現為韌性斷裂。然而，在裂紋擴展后期，在納米晶區域誘發脆性裂紋，并迅速擴展失效，發生不穩定的脆性斷裂。由于裂紋擴展過程是韌性斷裂向脆性斷裂的轉變過程，因此在安全應用上需要慎重考量。另一方面，當裂紋沿納米晶到粗晶梯度方向擴展時，其也表現出優于純納米晶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，當裂紋的擴展到達粗晶區域時，裂紋尖端發生鈍化。這種裂紋尖端韌性不斷增加而發生鈍化的過程表明，納米晶到粗晶的梯度方向，是脆性斷裂向韌性斷裂的轉變過程，具有優異安全應用前景。我們的研究成果為梯度材料的實際應用提供理論基礎。 

上述研究成果于近期發表在Materials Today （10.101/j.mattod.2019.09.023），文章第一作者為中國科學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。相關工作得到了國家重點研發計劃（資助號2017YFB0702003）和國家自然科學基金項目（資助號：51471165）的資助。