許多生物材料在局部化學組成或成分以及結構特征上表現出空間梯度，這樣的空間梯度提高了生物材料的力學性能并賦予一定功能。為了優化力學性能，結構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。從結構的提出到實驗室的成功合成，該過程經歷了10年之久。第一個成功合成梯度結構金屬材料的是我國沈陽金屬研究所的盧柯院士，并將成果發表在了Science期刊上，繼而后來引發了全世界的科研浪潮。到目前為止，關于梯度結構金屬材料的研究已經有不少發表在了Science期刊上，下面筆者給大家分享，看看這種結構是具有那些優越性，是如何提高材料力學性能的。

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

在該文發表之前，科學家已經認識到了梯度材料在在各種學科中，如摩擦學、地質學、光電子學、生物力學、斷裂力學和納米學等學科的重要性。該文則是一片綜述性文章，全面綜述了通過這種梯度結構，表面對正常和滑動接觸或沖擊的破壞和失效阻力可以發生實質性的改變。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，為梯度材料的力學變形機理的理解提供了很好地第一手資料，這為開發并利用梯度材料提供了理論支撐。該文還進一步概述了梯度材料未來的研究方向和可能的應用。這篇文章的引用非常大，是研究并理解梯度結構材料很好地可讀性文章。

圖1 纖維取向中的彈性梯度、應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滑移被抑制，而晶界遷移和擴散蠕變成為主要機制，在室溫時，這兩種機制不能充分滿足塑性變形。之前的研究報道，如果能夠抑制納米金屬的應力集中，則可以提高它的塑性。他們利用表面研磨技術成功合成了梯度納米金屬銅，其微觀結構為納米晶粒被粗晶包圍，中間則為過渡尺寸的晶粒。通過拉伸實驗表明：梯度納米金屬銅展示了10倍于粗晶銅的拉伸強度，但其塑性并未下降，且維持拉伸真應變超過100%而無裂紋產生。通過TEM等表征，他們發現晶界遷移伴隨晶粒長大是梯度納米金屬銅的變形機制。圖2 表示了該材料的微觀結構以及拉伸曲線。梯度NG結構獨特的固有塑性為優化塊體材料的綜合力學性能提供了潛力。該文一經發表就引起了科學界的熱議，起初大家都認為梯度納米材料在現實工藝中很難實現，后來大家都開始跟風做，在美國2015年材料學會秋季會議上，與會專家專門設置了研討“梯度納米結構材料”的分會。

圖2 梯度納米Cu材料的微觀組織及其力學性能。A 拉伸試樣的示意圖；B和C 拉伸實驗的橫截面部分，暗藍色為梯度納米層，藍色為粗晶變形層，青藍色為粗晶基體層；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靜態拉伸工程應力-應變曲線；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構的動態創建和隨后的靜態演化。極端的納米結構轉變是由高應變率，應變梯度，和再結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，并使用先進的激光誘導彈丸沖擊測試裝置選擇性地以超音速發射它們，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。在實驗中產生的納米結構轉變為開發高強度和高韌性工程應用的梯度納米顆粒金屬提供了前景廣闊的途徑，例如，在飛機和航天器的結構部件中。

圖3高度可調的結構梯度，增強金屬的強度和延展性 沖擊20小時后，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）。

梯度結構在自然界中廣泛存在，并越來越多地應用于工程中。然而，理解所有梯度結構中與結構梯度相關的力學行為，包括工程材料，一直是一個挑戰。該文在純銅中探索了具有高度可調結構梯度的梯度納米孿晶結構的力學性能。一個大的結構梯度允許優越的加工硬化和強度，可以超過那些最強的梯度結構組件。通過系統的實驗和原子模擬，發現這種不尋常的行為是由晶粒內部超高密度位錯的獨特圖案所引起的。這些發現不僅揭示了梯度結構，而且可能為通過梯度設計提高材料力學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度、均勻伸長和加工硬化組合，優于其最強成分和現有的通過梯度納米孿晶（GNG）、均勻納米孿晶的非均勻強化方法（NT）和多層微觀結構[4]。

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

多晶材料的強度隨晶粒尺寸的減小而增大。低于臨界尺寸時，更小的晶粒可能導致軟化，正如原子模擬所揭示的那樣。當形變機制由晶格位錯活動轉變為與晶粒邊界有關的過程時，應出現最強尺寸。該文研究了不同孿晶厚度的納米孿晶銅樣品的最大強度。實驗發現，強度隨孿晶厚度的減小而增加，在15納米處達到最大值，隨后在較小的值處出現軟化，并伴隨著應變硬化和拉伸延展性的增強。強度最大的孿晶厚度的產生源于屈服機制中由跨孿晶界的滑移轉移到已有的易位錯源的活動。

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

參考文獻

[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）。