許多生物材料在局部化學(xué)組成或成分以及結(jié)構(gòu)特征上表現(xiàn)出空間梯度，這樣的空間梯度提高了生物材料的力學(xué)性能并賦予一定功能。為了優(yōu)化力學(xué)性能，梯度結(jié)構(gòu)被引入到金屬工程材料中。
許多生物材料在局部化學(xué)組成或成分以及結(jié)構(gòu)特征上表現(xiàn)出空間梯度，這樣的空間梯度提高了生物材料的力學(xué)性能并賦予一定功能。為了優(yōu)化力學(xué)性能，梯度結(jié)構(gòu)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(zhàn)。從結(jié)構(gòu)的提出到實驗室的成功合成，該過程經(jīng)歷了10年之久。第一個成功合成梯度結(jié)構(gòu)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(fā)表在了Science期刊上，繼而后來引發(fā)了全世界的科研浪潮。目前為止，合成梯度金屬材料的方法主要工藝主要為：a：表面機械摩擦處理(SMAT)是對板狀試樣進行表面機械摩擦處理的一種方法；b：表面機械磨削處理(SMGT)用于處理圓柱形樣品；c：表面機械軋制處理(SMRT)用于處理圓柱形樣品；d：高壓扭轉(zhuǎn)變形，是目前應(yīng)用最多的方法之一。這些方法造成的梯度誘導(dǎo)了孿晶，位錯以及層錯能的梯度。微觀的結(jié)構(gòu)差異改變了宏觀的力學(xué)性能（主要是非均勻的變形行為引起）。納米晶區(qū)強度大，粗晶區(qū)延性好，二者的協(xié)同作用促進了金屬材料的高強度和高延性。梯度晶體結(jié)構(gòu)是一種打破強塑性同時掣肘的很好地方法。TRIP和梯度結(jié)構(gòu)結(jié)合使得奧氏體鋼的塑性增加，但是強度維持不變。梯度結(jié)構(gòu)結(jié)合TWIP可以同時提高材料的強塑性。納米晶金屬塑性差的主要原因是缺乏加工硬化行為，從而導(dǎo)致早期應(yīng)變局部化和失效。梯度結(jié)構(gòu)可以抑制應(yīng)變局部化的早期發(fā)生。因為梯度結(jié)構(gòu)改變了變形機制，機械驅(qū)動納米晶粒生長。梯度結(jié)構(gòu)具有彈塑性均質(zhì)性和塑性非均質(zhì)性，從而形成宏觀應(yīng)變梯度。由于不兼容的變形，應(yīng)變梯度將單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槎噍S應(yīng)力。從粗粒度區(qū)域可以實現(xiàn)應(yīng)變?nèi)ゾ植炕蚝图庸び不?。因此，特殊的?yīng)力分布可能會增強位錯的形核和擴展，并導(dǎo)致額外的應(yīng)變硬化。梯度材料單軸變形柯分為三個階段：1）梯度晶體材料彈性變形；2）中心粗晶層開始變形，但是納米表面層仍然彈性變形；這種不相容性使單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡p軸應(yīng)力；同時存在兩個彈塑性界面，并隨外加應(yīng)變的增加而向表面移動。出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變梯度，形成協(xié)同強化和背應(yīng)力，提高屈服強度。3）粗晶層和納米晶層均可塑性變形，穩(wěn)定的頸縮首先發(fā)生在納米顆粒層中。然而，頸縮受到穩(wěn)定的粗粒度層的約束。頸縮層與中心穩(wěn)定層的界面附近出現(xiàn)陡峭的應(yīng)變梯度，通過必要的幾何位錯和背應(yīng)力的積累促進應(yīng)變硬化能力。此外，頸縮/穩(wěn)定界面從表面向中心層遷移，伴隨著高密度位錯的積累，提高了應(yīng)變硬化速率，從而提高了梯度晶材料的延性。在梯度結(jié)構(gòu)中，粗晶層中的位錯誘導(dǎo)硬化和納米層中的晶界遷移誘導(dǎo)軟化同時激活。巨大的應(yīng)變硬化能力主要來源于梯度層中由于不均勻變形產(chǎn)生的大量幾何必須位錯。梯度組織的應(yīng)變硬化速率可與粗晶組織相當(dāng)。利用納米晶粒優(yōu)越的強度、粗大晶粒良好的塑性和梯度分布，實現(xiàn)了應(yīng)變?nèi)ゾ钟蚧皖~外應(yīng)變硬化，發(fā)展了強韌性材料。3.1 盧柯院士首次在《Science》雜志報道梯度銅該文是盧柯院士在國際上第一次合成梯度金屬材料并引起了國際間的極大關(guān)注與討論。該文一經(jīng)發(fā)表就引發(fā)了一股研究梯度材料的浪潮。通常納米金屬材料的強度很高，但是由于缺乏加工硬化行為，其塑性極差。該文通過表面塑性摩擦技術(shù)成功制備得了梯度銅，其顯微結(jié)構(gòu)為中心部位的粗晶層，越往表層晶粒越細，在距離表面深度為150um范圍內(nèi)存在納米梯度層。拉伸性能測試顯示合成的梯度銅具有10倍于粗晶銅的強度，其塑性基本保持不變。研究發(fā)現(xiàn)機械力驅(qū)動梯度層中晶粒的生長是主要的變形機理。這種變形機理導(dǎo)致梯度銅在具有高強度的同時還能維持很好的塑性。
圖1 梯度納米Cu材料的微觀組織及其力學(xué)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(tài)拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)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[1]；3.2 Yujie Wei等人在孿晶誘導(dǎo)塑性高錳鋼中報道3次孿晶變形機制通過高壓扭轉(zhuǎn)孿晶誘導(dǎo)塑性高錳鋼（這種鋼的力學(xué)性能特點是塑性高，抗拉強度高，但是屈服強度很低），使得合金內(nèi)部沿著軸向形成梯度孿晶結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)使得合金拉伸強度雙倍增加而又不損失其塑性。結(jié)果表明，這種強度-塑性掣肘的規(guī)避是由于在預(yù)扭轉(zhuǎn)和隨后的拉伸變形過程中形成了梯度層次的納米孿晶結(jié)構(gòu)。通過一系列基于晶體塑性的有限元模擬，該文成功解釋了為何梯度孿晶結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致合金強化和塑性保留，以及如何通過激活不同的孿晶體系而導(dǎo)致所觀察到的層級納米孿晶結(jié)構(gòu)。分層孿晶結(jié)構(gòu)及位錯與形變孿晶間的相互作用；在拉伸后，給出了180°預(yù)扭試樣最外層區(qū)域的原子尺度細節(jié)，并檢查了位錯和預(yù)先存在變形孿晶之間的相互作用；(a)從左上到右下的一級孿晶(粉紅色箭頭)，傾斜方向的二級孿晶(藍色箭頭)，與一級孿晶平行的二級孿晶之間的短三級孿晶(綠色箭頭)。(b) HRTEM圖像顯示當(dāng)二孿晶穿過一次孿晶，孿晶交匯開始形成；（c）(b)中的黃色矩形的放大圖像，顯示了初生孿晶和次生孿晶的晶格排列。(d) (b)中的黃色矩形‘d’的近視圖，顯示孿晶交匯附近的完全位錯和不全位錯；（e）孿晶界上有大量的部分位錯；（f）（e）圖中黃色矩形框的反傅里葉轉(zhuǎn)變圖像，表明其位錯為1/6[-21-1]不全位錯。3.3 研究梯度材料加工硬化行為的經(jīng)典論文該文章可謂是研究梯度材料的經(jīng)典，從理論上深度揭示了梯度材料的變形機制。主要報告了在工程材料(如金屬)中的梯度結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生獨特的額外應(yīng)變硬化，從而導(dǎo)致高塑性。單軸拉伸下的晶粒尺寸梯度由于不相容變形沿梯度深度的演化而產(chǎn)生宏觀應(yīng)變梯度，將施加的單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為多軸應(yīng)力。從而促進了位錯的積累和相互作用，導(dǎo)致額外的應(yīng)變硬化，應(yīng)變硬化速率明顯上升。這種特殊的應(yīng)變硬化是梯度結(jié)構(gòu)所固有的，而不存在于均質(zhì)材料中，它提供了一種迄今為止未知的策略，通過構(gòu)筑非均質(zhì)納米結(jié)構(gòu)來開發(fā)強韌性材料。
圖3 硬化速率上升以及額外的應(yīng)變硬化. A 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，應(yīng)變速率為5*10-4s-1.CG代表均勻的粗晶樣品；GS：代表梯度層，厚度約為120 μm：GS–CG：厚度為1mm的梯度-粗晶樣品。NS：納米金屬樣品. GS–CG+：在應(yīng)變分別為0.05, 0.1, 0.15, 和 0.2的加載-卸載樣品. B 應(yīng)變硬化速率-真應(yīng)變曲線；C維氏顯微硬度(H) vs深度曲線；(D)不同拉伸應(yīng)變后δ H (H增量)vs深度的曲線。
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