导读：在过去的几十年里，生物材料中发现的梯度结构一直是科学家寻求提高金属和合金性能的灵感来源。与均质金属和合金相比，这些梯度结构金属和合金表现出前所未有的机械性能，包括卓越的强度-延展性协同作用、高断裂韧性以及增强的抗疲劳、磨损和腐蚀能力。本综述致力于对梯度结构金属和合金的最新研究进行批判性评估，包括新兴的制造技术和有助于其强化、应变硬化和延展性的基本机制。我们还从实验、理论和建模角度全面总结了具有结构梯度的金属和合金的机械性能，以及定制性能的设计策略。最后，讨论了设计梯度结构金属和合金的潜在应用和前景。

异质结构材料代表了一类创新的材料，其特征在于具有不同的异质区，表现出截然不同的特性。这些异质区域之间的协同作用导致综合特性超过了混合规则预测。在过去的几十年里，人们一直致力于定制微观结构异质性，包括材料中梯度结构的整合。与均质材料相比，这些梯度材料可以表现出非凡的机械性能，使其成为材料研究前沿极具前景的材料。   

梯度设计概念的灵感来自于自然界中发现的梯度结构生物材料，这些材料经过数百万年的自然选择而进化，以适应恶劣的环境。“梯度”一词描述了结构或化学特性的逐渐转变，赋予生物材料前所未有的性能和功能协同作用。梯度结构材料在生物系统中普遍存在。例如，墨鱼骨独特的“壁隔”微结构具有波纹度梯度，具有高刚度和能量吸收能力，使墨鱼能够在约 20 个大气压的高水压下生存（图 1a）。氟斑牙牙釉质由于牙釉质棒的梯度取向而表现出优异的硬度和耐磨性（图1b）。木茎年轮的梯度多孔微观结构具有优异的水输送和机械鲁棒性（图 1c）。此外，由于具有成分梯度的纤维结构的滑动，连接肌肉和骨骼的肌腱表现出出色的抗疲劳性和灵活的运动（图1d）。    

受大自然的启发，研究人员试图实施一种通过使用梯度结构来定制铜特性的新策略，其中晶粒尺寸从核心的粗晶粒减小到表面的纳米级晶粒。有趣的是，这种梯度结构可以在不牺牲太多延展性的情况下赋予金属和合金高强度，从而克服强度-延展性的权衡。梯度结构金属和合金表现出的这种卓越的强度-延展性协同作用推动了改善其他关键性能的努力，包括断裂韧性、抗疲劳性、摩擦和耐磨性和耐腐蚀性。梯度结构金属和合金的进步可以为满足尖端技术的严格性能要求提供一种令人信服的方法。  

在过去的几十年中，人们已经做出了巨大的努力来解释梯度结构金属和合金的强度-延展性协同作用如何从不同角度得到改善，包括异质变形诱导（HDI）应力，塑性应变梯度，孪生和位错相互作用以及晶粒粗化。最近，人们试图统一这些观点，以了解控制强化和应变硬化的机制，这为微观结构与机械性能之间的相关性提供了见解。到目前为止，梯度结构金属和合金已应用于多学科领域，如断裂力学、生物力学、热力学、摩擦学和纳米技术。随着制造技术的进步，人们可以通过适当设计梯度结构来明智地操纵特定应用中金属和合金的性能，如图2所示。  

南洋理工大学周琨教授团队和高华健教授系统地讨论了梯度结构金属和合金的最新进展，重点介绍了它们的分类、制备技术、基本变形机理、力学性能、耐腐蚀性、应用和前景。首先，根据其结构和化学特性对现有的梯度结构金属和合金进行分类，并解释了梯度结构的形成机理。接下来，介绍了制造梯度结构金属和合金的新兴技术，然后对可用的制造方法进行了比较分析。此外，还阐明了有助于梯度结构金属和合金的强化、应变硬化和延展性的基本变形机制，并描述了这些机制共有的统一原理。此外，本文从实验、理论和建模的角度总结了具有结构梯度的金属和合金的力学性能和耐腐蚀性，并介绍了定制其性能的有用策略。最后，我们介绍了梯度结构金属和合金设计这一新兴领域的潜在应用和前景。    

相关研究成果以题“Recent Progress in gradient-structured metals and alloys”发表在国际期刊Progress in Materials Science上。  

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

图1 生物系统中的梯度结构材料：（a）墨鱼，墨骨标为黄色。左图显示了使用 3D μ计算机断层扫描 （CT） 技术生成的墨骨的壁隔膜结构。右图显示了壁隔膜结构的波纹度从顶部轮廓（绿线）到底部轮廓（红线）减小;（b） 牙齿和牙釉质示意图。扫描电子显微镜（SEM）图像显示了珐琅棒从外珐琅质到内珐琅质的梯度取向;（c） 带年轮的木茎。显微图像显示从早期木材到晚期木材的孔隙率降低;（d） 与骨骼相连的肌腱微观结构示意图。矿物质成分从肌腱到骨骼增加。（有关此图例中对颜色的引用的解释，读者请参阅本文的网络版本)

图2 梯度结构金属和合金（GSMA）的潜在应用。

图3 典型金属和合金的结构和化学梯度。结构梯度涉及晶粒尺寸、层状厚度和孪晶厚度的梯度。化学梯度涉及相梯度、化学成分和沉淀物。结构梯度和化学梯度可以共存。

图4 梯度结构金属和合金的物理后处理和化学电沉积示意图。物理后处理技术包括：（a） SMAT;（b） SMGT;（c） SMRT;（d） 激光冲击喷丸;（e） 超声波冲击喷丸;（f） 旋转加速减震器;（g） 预扭转;（h） 累积辊粘合。（一） 直流电沉积。

图5 用于制造梯度结构金属和合金的3D打印过程示意图。（a） 定向能量沉积;（b） 电子束熔化;（c） 激光粉末床熔融。

图6 背应力起源示意图。（a）在软域中引起背应力和在硬域中引起正向应力的几何必要位错堆积示意图，其中是施加的剪切应力，n 是几何上必要的位错数。（b）卸载-再加载曲线示意图。卸荷曲线从 A 点开始，经过线性段 BC，最后到达 D 点。在重新加载期间，将出现线性段 EF。    

图7 根据有限元模拟的晶粒尺寸梯度Cu中的塑性应变梯度[181]。（a） 各种应变ε轴向应力分布;（b） 各种应变ε轴向应变分布;（c） 梯度应力（左）和梯度塑性应变（右）在不同应变ε下的分布曲线;（d） 梯度结构中几何上必要的位错分布示意图。

图8 梯度纳米孪晶结构中的纳米孪晶网络。（a）拉伸变形后形成的分层纳米孪晶网络的透射电子显微镜（TEM）图像，初级，次级和三元孪生分别用粉红色，蓝色和绿色箭头标记[58];（b）分层纳米孪晶网络的示意图和原子表示;（c）剪切应力驱动和（d）埃谢尔比力驱动结对的示意图。埃谢尔比力源于孪生厚度和晶粒尺寸的空间异质性。在埃谢尔比力驱动的解孪过程中，孪生部分位错从晶界和孪生边界的交界处成核，并受埃谢尔比力的驱动迁移孪生边界，导致孪生边界湮灭。（有关此图例中对颜色的引用的解释，读者请参阅本文的网络版本)    

图9 通过 MD 模拟研究具有晶粒尺寸和孪晶厚度双梯度的 GNT 结构中的孪晶和位错相互作用 [12]。(a) 通过组装两个具有均匀孪晶厚度的构件 NT-? 和 NT-? 来构建 GNT 结构的原子模型；(b) 拉伸应力-应变曲线；(c) 在纳米孪晶晶粒中形成 BCD；(d) BCD位错结构的放大图；(e) 从构件块之间的界面到相邻孪晶边界（TB）的 I 型位错发射；(f) I 型位错中伯格斯矢量 DA、DB 和 DC 的示意图；(g) 从横向晶界 (GB) 发射 II 型位错；(h) II 型位错中伯格斯矢量 AB、AC 和 BC 的示意图；(i) 高位错密度的 BCD 位错图案，其中绿线为肖克利偏位错，红线为阶梯杆位错；(j) 两个肖克利偏态 γD 和 δB 相互作用产生的阶梯杆位错 δγ/BD 的起源示意图。（为了解释该图例中对颜色的引用，读者可以参考本文的网络版本。）    

图10 通过协同原子洗牌放大高角度环形暗场（HAADF）扫描透射电子显微镜（STEM）图像[199]。比例尺为 1 nm。粒子边界的结构单位由虚线面表示。随着晶体的迁移，浅蓝色、橙色、粉红色和绿色的柱子逐渐从左边的晶体移动到右边的晶体。（有关此图例中对颜色的引用的解释，读者请参阅本文的网络版本)。   

图11 梯度结构金属和合金的归一化强度与均匀伸长率的阿什比图，与纳米孪晶，多层，位错[217]，晶界，，梯度纳米晶（GNG），谐波（HAR）结构，双峰（BM）结构，层状结构和梯度纳米孪晶结构（GNT）。    

图12 晶粒尺寸和孪生厚度双梯度梯度梯度结构Cu的微观结构和力学性能。（a） 不同结构梯度梯度结构铜的示意图和SEM观测 S.梯度结构的Cu是通过组装四个具有相同体积分数的纳米孪晶构建块（A）（B）（C）（D）来制备的;（b） 梯度结构铜和纳米孪晶砌块的拉伸工程应力-应变曲线;（c） 梯度结构铜和纳米孪晶砌块的加工硬化率与真实应变。    

图13 具有晶粒尺寸和孪晶厚度双梯度的 GNT Cu 中的 HDI 应力和变形机制 [13]。(a) 拉伸卸载-再加载曲线；(b) 不同应变下的 HDI 应力；(c) 不同应变下的有效应力；（d）1%应变下GNT-4样品中BCD（红色标记）位错结构的SEM观察；(e) 不同位错结构的示意图；(f) 纳米孪晶和 GNT 结构中几何必要位错 (GND) 的形成机制。对于均质纳米孪晶（HNT）结构，不均匀变形导致相邻纳米孪晶之间的开口和重叠，并形成几何上必要的位错以适应变形。对于GNT结构，不均匀变形导致相邻纳米孪晶之间产生不相容的间隙，并形成几何上必要的位错以确保变形连续性。（为了解释该图例中对颜色的引用，读者可以参考本文的网络版本。）

梯度结构金属和合金的最新进展已被证明在各种应用中非常有前途，主要是因为它们具有出色的机械性能。梯度结构的存在提供了高强度，同时保持了出色的延展性，解决了强度和延展性之间的传统冲突。这种强度-延展性协同作用背后的机制已经从不同的角度进行了辨别，包括HDI应力，塑性应变梯度，位错相互作用和晶粒粗化。尽管在设计梯度结构金属和合金方面有很多机会，但仍有几个悬而未决的问题和挑战需要解决。    

第一个问题是制造技术，特别是具有结构梯度的金属和合金的 3D 打印。虽然3D打印在打印具有成分梯度的金属和合金方面是有效的，但对于具有结构梯度（例如晶粒尺寸梯度）的金属和合金来说，打印过程本身具有挑战性，因为它需要精确控制打印参数，例如温度、流速和沉积速率，以实现所需的结构梯度。克服这一挑战需要更多地了解这些打印参数对微结构形成的影响。留给研究会的另一个问题是梯度结构的操纵。在纳米尺度上控制梯度结构而不引起缺陷或不均匀性是具有挑战性的。这种限制使得很难获得可重复的定制设计。克服这一挑战需要开发新颖的制造技术，以提高梯度结构金属和合金的精度和可扩展性。

第二个问题是建立塑性应变梯度和 HDI 应力之间联系的计算模型。梯度结构的空间分布将产生塑性应变梯度以适应塑性变形并形成HDI应力，从而产生额外的强化。然而，响应多个结构梯度，塑性应变梯度和 HDI 应力之间存在很强的非线性耦合。解释非线性关系并描述哪种类型的梯度在促进 HDI 应力方面更有效是具有挑战性的。这需要进一步研究和开发具有必要实验验证的理论框架。此外，几何上必要的位错可以与位错结构中静态存储的位错相互作用，并堆积起来产生 HDI 应力 。然而，几何必要位错和静态存储位错之间的相互作用机制及其与HDI应力形成的关系仍然难以捉摸，需要进一步的理论研究来揭示。梯度结构金属和合金也可以具有不同长度尺度的微观结构。因此，有必要建立一个多尺度建模框架，以捕获梯度结构的复杂微观结构变化及其对力学性能的影响。

第三个问题是缺乏统一的设计策略来提高梯度结构金属和合金的机械性能，因为存在与梯度结构对机械性能（例如断裂和蠕变行为）的影响有关的知识差距。为了缩小知识差距，需要结合理论和实验方法进行进一步的机械表征。此外，传统方法确定梯度结构-性质关系既耗时又昂贵。机器学习有望成为设计梯度结构金属和合金的强大工具，从而降低实验成本并提高机械性能。将机器学习引入梯度结构金属和合金的设计具有几个明显的优势。首先，它通过利用大量的实验和模拟数据来实现正向设计。机器学习算法可以挖掘出这些材料中复杂的结构-性能关系的宝贵见解。这种数据驱动的方法有助于发现非直观的相关性，从而提高设计过程的有效性。其次，机器学习支持逆向设计。它可以从梯度结构金属和合金中提取微观结构特征，将结构属性数据库转换为根据特定属性要求和设计范围定制的像素材料数据库。这种像素匹配方法简化了梯度结构的快速定制，减少了繁琐的实验验证和模拟的需要。此外，机器学习有潜力通过优化打印流程和实现实时调整来彻底改变梯度结构的 3D 打印，适用于从原型到大规模工业应用的广泛规模。这种转变最终提高了梯度结构制造的质量。    

第四个问题是在跨学科领域的应用有限。梯度结构金属和合金具有独特且可定制的微观结构，可以提供广泛的理想性能，例如高强度、韧性和耐腐蚀性，使其适用于各种工程应用。然而，它们在跨学科领域的潜在应用在很大程度上仍未得到探索，包括电子、热电、光催化、光学和纳米技术。探索这些领域的潜力并揭示潜在的工作机制将是有趣的。此外，通过结合结构和化学梯度来丰富梯度结构金属和合金的功能。结构梯度能够改善机械性能，而化学梯度可以为特定应用赋予其他性能。