異質結構材料代表了一類創新的材料，其特征在于具有不同的異質區，表現出截然不同的特性。這些異質區域之間的協同作用導致綜合特性超過了混合規則預測。在過去的幾十年里，人們一直致力于定制微觀結構異質性，包括材料中梯度結構的整合。與均質材料相比，這些梯度材料可以表現出非凡的機械性能，使其成為材料研究前沿極具前景的材料。   

梯度設計概念的靈感來自于自然界中發現的梯度結構生物材料，這些材料經過數百萬年的自然選擇而進化，以適應惡劣的環境。“梯度”一詞描述了結構或化學特性的逐漸轉變，賦予生物材料前所未有的性能和功能協同作用。梯度結構材料在生物系統中普遍存在。例如，墨魚骨獨特的“壁隔”微結構具有波紋度梯度，具有高剛度和能量吸收能力，使墨魚能夠在約 20 個大氣壓的高水壓下生存（圖 1a）。氟斑牙牙釉質由于牙釉質棒的梯度取向而表現出優異的硬度和耐磨性（圖1b）。木莖年輪的梯度多孔微觀結構具有優異的水輸送和機械魯棒性（圖 1c）。此外，由于具有成分梯度的纖維結構的滑動，連接肌肉和骨骼的肌腱表現出出色的抗疲勞性和靈活的運動（圖1d）。    

受大自然的啟發，研究人員試圖實施一種通過使用梯度結構來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晶粒。有趣的是，這種梯度結構可以在不犧牲太多延展性的情況下賦予金屬和合金高強度，從而克服強度-延展性的權衡。梯度結構金屬和合金表現出的這種卓越的強度-延展性協同作用推動了改善其他關鍵性能的努力，包括斷裂韌性、抗疲勞性、摩擦和耐磨性和耐腐蝕性。梯度結構金屬和合金的進步可以為滿足尖端技術的嚴格性能要求提供一種令人信服的方法。  

在過去的幾十年中，人們已經做出了巨大的努力來解釋梯度結構金屬和合金的強度-延展性協同作用如何從不同角度得到改善，包括異質變形誘導（HDI）應力，塑性應變梯度，孿生和位錯相互作用以及晶粒粗化。最近，人們試圖統一這些觀點，以了解控制強化和應變硬化的機制，這為微觀結構與機械性能之間的相關性提供了見解。到目前為止，梯度結構金屬和合金已應用于多學科領域，如斷裂力學、生物力學、熱力學、摩擦學和納米技術。隨著制造技術的進步，人們可以通過適當設計梯度結構來明智地操縱特定應用中金屬和合金的性能，如圖2所示。  

南洋理工大學周琨教授團隊和高華健教授系統地討論了梯度結構金屬和合金的最新進展，重點介紹了它們的分類、制備技術、基本變形機理、力學性能、耐腐蝕性、應用和前景。首先，根據其結構和化學特性對現有的梯度結構金屬和合金進行分類，并解釋了梯度結構的形成機理。接下來，介紹了制造梯度結構金屬和合金的新興技術，然后對可用的制造方法進行了比較分析。此外，還闡明了有助于梯度結構金屬和合金的強化、應變硬化和延展性的基本變形機制，并描述了這些機制共有的統一原理。此外，本文從實驗、理論和建模的角度總結了具有結構梯度的金屬和合金的力學性能和耐腐蝕性，并介紹了定制其性能的有用策略。最后，我們介紹了梯度結構金屬和合金設計這一新興領域的潛在應用和前景。    

相關研究成果以題“Recent Progress in gradient-structured metals and alloys”發表在國際期刊Progress in Materials Science上。  

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

圖1

生物系統中的梯度結構材料：（a）墨魚，墨骨標為黃色。左圖顯示了使用 3D μ計算機斷層掃描 （CT） 技術生成的墨骨的壁隔膜結構。右圖顯示了壁隔膜結構的波紋度從頂部輪廓（綠線）到底部輪廓（紅線）減小;（b） 牙齒和牙釉質示意圖。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示了琺瑯棒從外琺瑯質到內琺瑯質的梯度取向;（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構示意圖。礦物質成分從肌腱到骨骼增加。（有關此圖例中對顏色的引用的解釋，讀者請參閱本文的網絡版本)

圖2

梯度結構金屬和合金（GSMA）的潛在應用。

圖3

典型金屬和合金的結構和化學梯度。結構梯度涉及晶粒尺寸、層狀厚度和孿晶厚度的梯度。化學梯度涉及相梯度、化學成分和沉淀物。結構梯度和化學梯度可以共存。

圖4

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

圖5

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

圖6

背應力起源示意圖。（a）在軟域中引起背應力和在硬域中引起正向應力的幾何必要位錯堆積示意圖，其中是施加的剪切應力，n 是幾何上必要的位錯數。（b）卸載-再加載曲線示意圖。卸荷曲線從 A 點開始，經過線性段 BC，最后到達 D 點。在重新加載期間，將出現線性段 EF。    

圖7

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

圖8

梯度納米孿晶結構中的納米孿晶網絡。（a）拉伸變形后形成的分層納米孿晶網絡的透射電子顯微鏡（TEM）圖像，初級，次級和三元孿生分別用粉紅色，藍色和綠色箭頭標記[58];（b）分層納米孿晶網絡的示意圖和原子表示;（c）剪切應力驅動和（d）埃謝爾比力驅動結對的示意圖。埃謝爾比力源于孿生厚度和晶粒尺寸的空間異質性。在埃謝爾比力驅動的解孿過程中，孿生部分位錯從晶界和孿生邊界的交界處成核，并受埃謝爾比力的驅動遷移孿生邊界，導致孿生邊界湮滅。（有關此圖例中對顏色的引用的解釋，讀者請參閱本文的網絡版本)    

圖9

通過 MD 模擬研究具有晶粒尺寸和孿晶厚度雙梯度的 GNT 結構中的孿晶和位錯相互作用 [12]。(a) 通過組裝兩個具有均勻孿晶厚度的構件 NT-? 和 NT-? 來構建 GNT 結構的原子模型；(b) 拉伸應力-應變曲線；(c) 在納米孿晶晶粒中形成 BCD；(d) BCD位錯結構的放大圖；(e) 從構件塊之間的界面到相鄰孿晶邊界（TB）的 I 型位錯發射；(f) I 型位錯中伯格斯矢量 DA、DB 和 DC 的示意圖；(g) 從橫向晶界 (GB) 發射 II 型位錯；(h) II 型位錯中伯格斯矢量 AB、AC 和 BC 的示意圖；(i) 高位錯密度的 BCD 位錯圖案，其中綠線為肖克利偏位錯，紅線為階梯桿位錯；(j) 兩個肖克利偏態 γD 和 δB 相互作用產生的階梯桿位錯 δγ/BD 的起源示意圖。（為了解釋該圖例中對顏色的引用，讀者可以參考本文的網絡版本。）    

圖10

通過協同原子洗牌放大高角度環形暗場（HAADF）掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像[199]。比例尺為 1 nm。粒子邊界的結構單位由虛線面表示。隨著晶體的遷移，淺藍色、橙色、粉紅色和綠色的柱子逐漸從左邊的晶體移動到右邊的晶體。（有關此圖例中對顏色的引用的解釋，讀者請參閱本文的網絡版本)。   

圖11

梯度結構金屬和合金的歸一化強度與均勻伸長率的阿什比圖，與納米孿晶，多層，位錯[217]，晶界，，梯度納米晶（GNG），諧波（HAR）結構，雙峰（BM）結構，層狀結構和梯度納米孿晶結構（GNT）。    

圖12

晶粒尺寸和孿生厚度雙梯度梯度梯度結構Cu的微觀結構和力學性能。（a） 不同結構梯度梯度結構銅的示意圖和SEM觀測 S.梯度結構的Cu是通過組裝四個具有相同體積分數的納米孿晶構建塊（A）（B）（C）（D）來制備的;（b） 梯度結構銅和納米孿晶砌塊的拉伸工程應力-應變曲線;（c） 梯度結構銅和納米孿晶砌塊的加工硬化率與真實應變。    

圖13

具有晶粒尺寸和孿晶厚度雙梯度的 GNT Cu 中的 HDI 應力和變形機制 [13]。(a) 拉伸卸載-再加載曲線；(b) 不同應變下的 HDI 應力；(c) 不同應變下的有效應力；（d）1%應變下GNT-4樣品中BCD（紅色標記）位錯結構的SEM觀察；(e) 不同位錯結構的示意圖；(f) 納米孿晶和 GNT 結構中幾何必要位錯 (GND) 的形成機制。對于均質納米孿晶（HNT）結構，不均勻變形導致相鄰納米孿晶之間的開口和重疊，并形成幾何上必要的位錯以適應變形。對于GNT結構，不均勻變形導致相鄰納米孿晶之間產生不相容的間隙，并形成幾何上必要的位錯以確保變形連續性。（為了解釋該圖例中對顏色的引用，讀者可以參考本文的網絡版本。）

梯度結構金屬和合金的最新進展已被證明在各種應用中非常有前途，主要是因為它們具有出色的機械性能。梯度結構的存在提供了高強度，同時保持了出色的延展性，解決了強度和延展性之間的傳統沖突。這種強度-延展性協同作用背后的機制已經從不同的角度進行了辨別，包括HDI應力，塑性應變梯度，位錯相互作用和晶粒粗化。盡管在設計梯度結構金屬和合金方面有很多機會，但仍有幾個懸而未決的問題和挑戰需要解決。    

第一個問題是制造技術，特別是具有結構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，但對于具有結構梯度（例如晶粒尺寸梯度）的金屬和合金來說，打印過程本身具有挑戰性，因為它需要精確控制打印參數，例如溫度、流速和沉積速率，以實現所需的結構梯度。克服這一挑戰需要更多地了解這些打印參數對微結構形成的影響。留給研究會的另一個問題是梯度結構的操縱。在納米尺度上控制梯度結構而不引起缺陷或不均勻性是具有挑戰性的。這種限制使得很難獲得可重復的定制設計。克服這一挑戰需要開發新穎的制造技術，以提高梯度結構金屬和合金的精度和可擴展性。

第二個問題是建立塑性應變梯度和 HDI 應力之間聯系的計算模型。梯度結構的空間分布將產生塑性應變梯度以適應塑性變形并形成HDI應力，從而產生額外的強化。然而，響應多個結構梯度，塑性應變梯度和 HDI 應力之間存在很強的非線性耦合。解釋非線性關系并描述哪種類型的梯度在促進 HDI 應力方面更有效是具有挑戰性的。這需要進一步研究和開發具有必要實驗驗證的理論框架。此外，幾何上必要的位錯可以與位錯結構中靜態存儲的位錯相互作用，并堆積起來產生 HDI 應力 。然而，幾何必要位錯和靜態存儲位錯之間的相互作用機制及其與HDI應力形成的關系仍然難以捉摸，需要進一步的理論研究來揭示。梯度結構金屬和合金也可以具有不同長度尺度的微觀結構。因此，有必要建立一個多尺度建模框架，以捕獲梯度結構的復雜微觀結構變化及其對力學性能的影響。

第三個問題是缺乏統一的設計策略來提高梯度結構金屬和合金的機械性能，因為存在與梯度結構對機械性能（例如斷裂和蠕變行為）的影響有關的知識差距。為了縮小知識差距，需要結合理論和實驗方法進行進一步的機械表征。此外，傳統方法確定梯度結構-性質關系既耗時又昂貴。機器學習有望成為設計梯度結構金屬和合金的強大工具，從而降低實驗成本并提高機械性能。將機器學習引入梯度結構金屬和合金的設計具有幾個明顯的優勢。首先，它通過利用大量的實驗和模擬數據來實現正向設計。機器學習算法可以挖掘出這些材料中復雜的結構-性能關系的寶貴見解。這種數據驅動的方法有助于發現非直觀的相關性，從而提高設計過程的有效性。其次，機器學習支持逆向設計。它可以從梯度結構金屬和合金中提取微觀結構特征，將結構屬性數據庫轉換為根據特定屬性要求和設計范圍定制的像素材料數據庫。這種像素匹配方法簡化了梯度結構的快速定制，減少了繁瑣的實驗驗證和模擬的需要。此外，機器學習有潛力通過優化打印流程和實現實時調整來徹底改變梯度結構的 3D 打印，適用于從原型到大規模工業應用的廣泛規模。這種轉變最終提高了梯度結構制造的質量。    

第四個問題是在跨學科領域的應用有限。梯度結構金屬和合金具有獨特且可定制的微觀結構，可以提供廣泛的理想性能，例如高強度、韌性和耐腐蝕性，使其適用于各種工程應用。然而，它們在跨學科領域的潛在應用在很大程度上仍未得到探索，包括電子、熱電、光催化、光學和納米技術。探索這些領域的潛力并揭示潛在的工作機制將是有趣的。此外，通過結合結構和化學梯度來豐富梯度結構金屬和合金的功能。結構梯度能夠改善機械性能，而化學梯度可以為特定應用賦予其他性能。