5.1　梯度納米結構材料研究背景

塑性變形是指材料在外力作用下發生非斷裂永久變形的現象[1]。強度是單向拉伸載荷條件下材料抵抗塑性變形的能力，用來衡量承載能力的大小。而塑性（尤其是均勻塑性）表征材料在拉伸時承擔不可逆塑性變形但未發生斷裂的能力，其大小常作為評價構件在過載等特殊條件下安全服役的準則[2]。因此，強度和塑性不僅是評價材料性能的重要指標，也是工程構件設計和安全服役的關鍵依據。

近一個世紀以來，材料科學研究的核心問題一直圍繞如何提高材料的強度展開[1，3]。20世紀30～50年代發展起來的位錯理論表明晶體材料主要通過位錯增殖和運動來承擔、協調塑性變形[4]。因而通過引入阻礙位錯運動的各種缺陷，即可提高材料強度。其中，合金化是大多數工程材料提高性能最常用的策略之一[1，3]。材料合金化的本質是通過加入合金元素改變原有晶格的電子態和應變場，或形成具有不同晶體結構的新相來阻礙位錯運動，實現固溶強化或彌散強化。例如，獲得高強度鋼鐵材料的有效手段之一便是在純鐵中添加一定含量的碳形成高硬度滲碳體或馬氏體[1]。但是，材料合金化使得材料的發展嚴重依賴資源，另外也使得資源的回收再利用變得更加困難。

迄今為止，已發展出一系列與材料缺陷相關的強化技術和機制，包括固溶強化、彌散強化、形變強化、細晶強化等[3，5，6]。以細晶強化為例，將材料結構單元（如多晶材料中的晶粒尺寸）減小至納米尺度，其強度可高達粗晶金屬的數倍甚至數10倍。遺憾的是，這些納米晶材料幾乎沒有均勻塑性[7-12]。因此，高強度金屬材料的強度和塑性倒置關系愈加突出。

究其原因，高強度金屬的低塑性源于其有限的加工硬化能力[7，9]。加工硬化能力是指拉伸過程中材料流變應力隨應變的變化率[3]。根據Considère準則，當加工硬化能力小于流變應力時，材料發生失穩（即頸縮）。因此，較高的加工硬化能力是獲得良好塑性的前提。而加工硬化能力主要與材料在塑性變形過程中位錯密度增加，尤其是可以協調塑性變形的可動位錯密度的增加有關[9]。例如，對固溶和彌散強化材料而言，由于第二相往往與基體化學成分、彈性模量的顯著差異，變形過程中易在相界面處出現應力集中、應變局域化和裂紋，從而降低承載和加工硬化能力。形變強化則主要是通過初始塑性變形在晶內引入高密度位錯，致使在后續變形過程中無法繼續存儲更多位錯。細晶強化則因其結構單元（晶粒）尺寸過小，晶內無法存儲位錯，而晶界變形行為（如晶界滑移或擴散） 在室溫條件下也無法啟動，加工硬化能力十分有限[3，9]。因此，從本征機制上來看，利用傳統強化機制同時實現高強度和良好加工硬化幾乎不可能。

而今，“高強度-低加工硬化”的倒置關系已成為嚴重制約高強度材料工程應用的關鍵瓶頸問題。在日益嚴峻的資源短缺和環境污染嚴重的當下，為了減少對稀缺資源的使用，降低構件制備過程中的能耗，同時又要保障其服役安全性，探索能夠提高高強度結構材料的位錯存儲和加工硬化能力的有效策略迫在眉睫。