《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：An Overview of Plastic Deformation Preparation Methods and Application of Gradient-Structured Materials
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梯度结构材料（Gradient-Structured Materials, GS）因其梯度微观结构分布及由此产生的独特力学性能而受到广泛关注，在航空航天、海洋和能源领域显示出巨大潜力。本综述根据加载条件和由此产生的变形模式，对制备梯度结构材料的塑性变形方法进行
梯度结构材料（Gradient-Structured Materials, GS）因其梯度微观结构分布及由此产生的独特力学性能而受到广泛关注，在航空航天、海洋和能源领域显示出巨大潜力。本综述根据加载条件和由此产生的变形模式，对制备梯度结构材料的塑性变形方法进行了全面概述，将其分为局部加载-局部变形、局部加载-局部/整体变形和整体加载-局部/整体变形策略。进一步从表面性能、整体力学性能和成形性能方面总结了梯度结构材料的应用。最后，讨论了当前的挑战和未来的研究方向，重点关注用于逆向设计的定量结构-性能关系、高效可扩展的制备策略以及多层次微观结构的协同效应。本综述为基于塑性变形的制备方法和梯度结构材料的多样化应用性能提供了重要见解。
论文主体部分总结如下：
**1. 引言**
受自然界生物启发，梯度结构（Gradient-Structured, GS）材料有助于克服强度-延展性权衡，增强疲劳性能和抗磨损性能，在整体改性和表面工程中获得广泛应用。GS材料是一种在一种或多种维度上具有一种或多种微观结构梯度分布的材料，包括但不限于晶粒尺寸、孪晶密度或间距、位错密度和相。其微观结构特征呈梯度连续变化，这是区别于其他异质结构材料的主要特征，有效避免了因微观结构尺寸或密度突变导致的力学性能突变。以双面GS材料为例，存在两种主要梯度顺序：正梯度顺序的微观结构尺寸从中心层的数十微米变化到表面层的数微米甚至纳米；负梯度顺序由硬芯夹在两个软层之间组成。两种梯度顺序均可用于增强强度并保持延展性。正GS材料中诱导更强的约束和更大的应变梯度以获得更高强度。表面层的细微观结构使试样在拉伸变形过程中具有更平坦的表面变形形貌。此外，正梯度顺序的GS材料更适用于需要抗疲劳性或抗磨损性的应用场景；而负梯度顺序可引入AISI 316L不锈钢以提高表面耐腐蚀性同时实现强度-延展性协同。最初通过渗氮、渗碳、脱碳和表面淬火热处理制备成分和/或微观结构梯度，梯度层厚度从几十到几百微米不等，但梯度层与基体之间存在明显界面且梯度层较薄。化学/物理沉积可通过控制工艺参数精确制造特定微观结构梯度，但设备和时间成本高，且界面缺陷问题不可忽视。相比之下，塑性变形方法被广泛认为是制备GS材料有效且经济的方法。本文基于加载条件和变形模式全面综述了制备GS材料的塑性变形方法，分为三类：局部加载-局部变形、局部加载-局部/整体变形和整体加载-局部/整体变形。同时讨论了GS材料的应用，并首次综述了其在成形性能中的应用，进一步讨论了当前挑战和未来展望，指出了基于可设计性的发展框架。
**2. 梯度结构材料的制备方法**
**2.1. 局部加载-局部变形**
局部加载-局部变形策略主要代表为表面机械处理方法，包括表面机械研磨处理（Surface Mechanical Attrition Treatment, SMAT）、表面机械研磨处理（Surface Mechanical Grinding Treatment, SMGT）和表面机械滚压处理（Surface Mechanical Rolling Treatment, SMRT）。SMAT过程中，不锈钢或其他材料制成的球（直径1-10 mm）在圆柱形真空室底部被加速至特定速度，对样品表面进行多方向冲击，沿厚度方向引入应变和应变率梯度，形成从纳米到微米尺寸的梯度结构。类似原理的工艺包括喷丸（Shot Peening, SP）、超声喷丸（Ultrasonic Shot Peening, USP）、旋转加速喷丸（Rotationally Accelerated Shot Peening, RASP）和激光冲击喷丸（Laser Shock Peening, LSP）。LSP利用高能激光脉冲产生瞬态高压冲击波，在极高应变率下诱导表面层塑性变形，影响深度可达毫米级。结合辅助网格的3D梯度激光冲击无涂层喷丸（3D Gradient Laser-Shock Peening without Coating, 3LSPwoC）和多级激光冲击喷丸（Multistage Laser-Shock Peening, MLSP）可形成3D梯度结构。SMGT类似于车削，半球形WC/Co工具尖以预设压下深度沿试样轴向滑动，同时圆柱试样旋转，堆料向下压缩导致应变和应变率梯度，形成从纳米到微米的梯度结构。弯曲补偿表面研磨处理（Bending-Compensated Surface-Grinding Treatment, BC-SMGT）将SMGT应用于板材。SMRT与SMGT相似但无材料去除，WC/Co球压入表面，可形成较厚梯度层和较低表面粗糙度。类似方法包括超声表面滚压加工（Ultrasonic Surface Rolling Processing, USRP）、板材表面机械滚压处理（Plate Surface Mechanical Rolling Treatment, P-SMRT）和高压表面滚压（High-Pressure Surface Rolling, HPSR）。USRP结合超声振动，提供更高冲击能量和更好表面质量。
**2.2. 局部加载-局部/整体变形**
轧制是通过局部加载制备GS材料的另一独特方法。常规轧制中，外力施加于表面，塑性变形可局限于表面层或分布于整个样品。
**2.2.1. 平滑轧辊轧制**
表面光轧（Skin-Pass Rolling）通常用于冷轧板材最后工序以减少减薄量（约1%）。循环表面光轧（Cyclic Skin-Pass Rolling, CSPR）以每道次1%减薄量经40道次在铝板中制备梯度结构，实现类似屈服强度和2.4倍均匀延伸率。累积表面光轧（Accumulative Skin-Pass Rolling, ASPR）应用于铜板。常规轧制（Conventional Rolling, CR）分为对称轧制和非对称轧制（Asymmetrical Rolling, ASR），常与热处理结合制备梯度结构，例如通过电磁感应加热（Electro-Magnetic Induction Heating, EMIH）的趋肤效应在AISI 316L钢中制备逆向梯度纳米晶结构。激光表面处理（Laser Surface Treatment, LST）结合轧制和退火可在纯锆板中引入梯度等轴晶。ASR更高效地制备梯度结构。低温轧制影响微观结构演变。硬板轧制（Hard-Plate Rolling, HPR）将目标板夹在硬板之间轧制，在镁合金双面板中实现连续晶粒尺寸梯度。累积叠轧焊（Accumulative Roll Bonding, ARB）重复切割、表面处理、固定和轧制，制备两种梯度类型（细晶芯和粗晶芯），均表现出优异强度-延展性组合。
**2.2.2. 波纹轧辊轧制**
波纹轧辊沿轴向或周向排列特定形状，可引入弯曲和剪切变形或仅压痕。周期性应变轧制（Periodical Straining Rolling, PSR）包括周期性在板表面形成小凹坑和随后平轧机压平两个阶段，可弱化基面织构并促进织构梯度。表面波纹轧制（Surface Corrugation Rolling, SCR）在锆板中制备双面梯度结构，梯度层约1 mm，晶粒从纳米到微米。重复波纹矫直轧制（Repetitive Corrugation and Straightening by Rolling, RCSR）通过弯曲和剪切变形在钢中制备晶粒尺寸和/或相梯度，不同应变路径影响微观结构发展。
**2.3. 整体加载-局部/整体变形**
塑性流动加工（Plastic Flow Machining, PFM）通过高压区域使工件表面层塑化并从侧向通道流出，在7075铝合金中实现强度与延伸率协同。扭转（Torsion）通过沿径向的应力梯度产生梯度结构，适用于棒材。转向轴承挤压（Turned Bearing Extrusion, TBE）利用不对称挤压模具在镁合金板材中引入额外剪切应变形成沿法向的梯度微观结构。单辊角轧制（Single-Roll Angular Rolling, SRAR）结合了圆周剪切、通道角剪切和摩擦，在铜板中产生负梯度结构，可与超声纳米晶表面改性（Ultrasonic Nanocrystalline Surface Modification, UNSM）结合制备多层梯度。
**3. 梯度结构材料的应用**
**3.1. 表面性能**
**3.1.1. 抗磨损性能**：梯度结构通过逐步微观结构转变有效缓解应力集中、抑制裂纹形核和稳定塑性流动，显著提高抗磨损性能。例如，GCr15轴承钢通过强化磨削引入梯度结构，在交变载荷下表现出低磨损率和稳定摩擦系数。M50NiL轴承钢的双梯度结构（成分和纳米晶梯度）有效减轻应变局部化，降低磨损率。NiW750合金的复合梯度纳米结构形成硬化表面层，抑制磨损过程中的塑性变形和裂纹演化。
**3.1.2. 耐腐蚀性能**：GS材料表现出微化学和微力学的协同效应。高密度晶界和孪晶边界促进钝化膜快速形核和稳定生长，同时硬度梯度减轻表面应力集中，降低应力腐蚀开裂敏感性。例如，Mg-3Gd-1Zn-0.4Zr合金经超声滚压形成梯度结构，抑制点蚀和局部腐蚀。锆合金经激光重熔形成均匀梯度表面结构，溶解粗大ZrFe
2相，提高抗点蚀性并增强硬度。
**3.1.3. 功能性能**：3D梯度结构提供稳定疏水性能，如3LSPwoC制造的凸起半硬区和Cassie接触状态协同作用。表面机械处理引入梯度纳米结构表面层可提高钛及其合金的抗磨损性、耐腐蚀性和生物相容性。
**3.2. 整体性能**
**3.2.1. 力学性能**：梯度结构克服强度-延展性权衡，通过区域间应变不相容性激活异质变形诱导（Hetero-Deformation-Induced, HDI）强化和硬化。例如，中锰钢经扭转处理引入多重梯度结构，屈服强度和总延伸率分别提高27%和25%。MP159合金中径向{111}织构梯度同时增强屈服强度和延伸率。镁合金梯度结构板的冲击吸能增加约40%。
**3.2.2. 力学性能与冷却性能协同**：GS材料实现高冷却容量与低能耗的平衡。例如，NiTi合金经轧制结合激光退火制备梯度结构，弹热冷却容量（ΔT
ad）和材料效率（COP
mat）分别提高50%和130%。退火后处理进一步降低能耗并提高功能疲劳性能。
**3.2.3. 力学性能与电导率协同**：GS材料通过优化微观结构和缺陷分布，实现细晶/高缺陷区提供高强度，粗晶/低缺陷区提供高电导率。例如，纯铜经径向剧烈塑性变形引入梯度微观结构，屈服强度约394 MPa，电导率保持99.6% IACS。铝导线梯度结构可提高强度并降低功率损耗。
**3.3. 成形性能**
GS材料在服役性能外对成形性能也有积极作用。CoCrFeMnNi高熵合金通过冷轧加激光处理形成逆向梯度结构，表现出优异弯曲性，归因于粗晶外层抑制裂纹和相邻区域间强度梯度减小导致的损伤演化最小化。TBE-FG AZ31合金梯度微观结构显著增强弯曲性。316L不锈钢双梯度结构展现出对表面微阵列微沟槽的优异填充能力，归因于表面层细晶的有利取向和双梯度微观结构诱导的局部应力集中增强。
**4. 总结与展望**
梯度结构材料作为异质结构材料的代表性类型，因其独特结构和性能特征受到广泛关注。其优异的表面和整体性能使其在航空航天、海洋工程、生物医学和能源领域有应用前景。当前挑战和未来方向包括：（1）建立定量结构-性能关系：统一表征参数（如梯度层厚度和晶粒尺寸分布），构建“工艺-结构-性能”数据库，开发定量预测模型（如机器学习和多尺度力学模型），实现从“可制备”到“可设计”的跨越。（2）开发高效、可控、低成本的制备策略：发展新型工艺方法，推动多种技术杂化（如轧制结合表面处理），实现多尺度、多维度、多区域可控设计，探索连续、低成本、可扩展的工业化生产路线。（3）揭示多层次微观结构的多因素协同效应：研究关键参数（如梯度层厚度和晶粒尺寸分布）对不同加载条件（准静态、动态、冲击）和加工条件（弯曲、轧制）下力学行为的影响，揭示不同梯度组合（如晶粒尺寸梯度、相梯度、孪晶密度梯度）的强化机制，建立设计GS材料的理论模型。
