文章介绍：

纳米材料正在颠覆材料科学领域，其定义为在三维空间中至少有一维处于纳米尺度（0.1-100 nm）或由此类纳米单元构成的物质。这类材料形成了一类创新的材料，其特征是纳米尺度单元的特殊排列，表现出远超传统粗晶材料的性能。与传统的多晶和非晶材料相比，纳米材料因其超细晶粒尺寸、高界面密度以及位于晶界处的显著原子分数而脱颖而出。因此，纳米材料表现出更高的力学强度、更高的硬度、更高的比热容，以及独特的光学和磁学性能。这使得纳米技术成为增强金属合金强度和硬度的最有效途径之一。然而，研究发现，当晶粒尺寸减小以提高强度和硬度时，塑性和韧性通常会显著受损。这种权衡导致加工硬化能力下降，断裂延伸率急剧降低。这些固有的局限性严重限制了纳米金属材料的工业应用和发展。幸运的是，最近的研究进展表明，梯度结构可以有效解决这些挑战，在保持高强度的同时维持延展性。这一突破为纳米材料的新时代铺平了道路，释放了其在各种工业应用中的全部潜力。

梯度材料定义为微观结构或成分在三维空间中连续变化，其范围可以从几纳米到数百微米，甚至延伸到毫米级别。显著的梯度可能源于晶粒尺寸、孪晶界密度和化学成分的变化，如图1所示。除了经典的单一梯度外，更复杂的异质构型也已被开发出来，例如双梯度（晶界+孪晶界）和三梯度（晶界+孪晶界+织构）微观结构。前者可以通过集中位错束机制诱导额外的强度并显著增强加工硬化能力。后者在此基础上进一步引入了晶体学织构梯度，使材料能够产生连续增加的应变梯度和超高密度的几何必要位错，从而激活额外的变形机制，最终实现强度与延展性的协同。

当前研究特别强调晶粒尺寸梯度，这显著提升了材料的性能和多功能性。这一原理适用于各种晶粒形态，包括等轴状、层片状和柱状。晶粒尺寸的连续变化使梯度材料能够表现出独特的塑性变形行为，从而将其与均质纳米晶和粗晶对应物区分开来。本研究全面综述了梯度纳米结构材料在制备技术、性能增强策略、变形机制和多尺度模拟方面的最新进展。此外，我们批判性地评估了该领域当前面临的挑战，并对未来的发展方向提供了富有洞察力的预测。

中文摘要：

梯度纳米结构材料代表了一种创新方法，能够有效克服传统均质材料中长期存在的强度与延展性之间的权衡关系。梯度纳米结构材料表现出优异的耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性，使其适用于各种苛刻的应用场景。本研究旨在概述梯度纳米结构材料的关键方面，包括制备梯度纳米结构材料的常用方法及指导异质结构形成的原理、由复杂梯度微观结构产生的力学性能，以及阐明梯度纳米结构材料微观结构与力学性能之间关系的先进模拟方法。此外，本研究还探讨了开发梯度纳米结构材料过程中面临的关键挑战，并对具有纳米结构表面的工程材料的未来发展和技术应用提出了前瞻性见解。