材料的強度和韌性往往存在“倒置”關(guān)系，如何同時提高材料的強度和韌性是力學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域研究的熱門課題。受自然界中如骨骼和竹子等生物材料中梯度結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，梯度結(jié)構(gòu)金屬材料的設(shè)計思想應(yīng)運而生。梯度結(jié)構(gòu)材料相比于均勻結(jié)構(gòu)材料具有諸多優(yōu)異的力學(xué)性能，包括優(yōu)越的強韌匹配性以及顯著的抗疲勞和抗磨損性能等。

目前，梯度納米結(jié)構(gòu)金屬材料的主要研究手段包括實驗研究、分子動力學(xué)模擬以及基于宏觀彈塑性本構(gòu)/晶體塑性本構(gòu)/應(yīng)變梯度塑性本構(gòu)的有限元模擬。這些研究極大地提高了人們對梯度結(jié)構(gòu)金屬材料的強韌性等力學(xué)性能及其內(nèi)在機理的認識。然而，通過多尺度計算和模擬方法來分析梯度結(jié)構(gòu)材料的微結(jié)構(gòu)與強韌化關(guān)聯(lián)還有待進一步研究。

針對上述問題，西南交大張旭教授“多尺度材料力學(xué)”研究組與中國工程物理研究院總體工程研究所趙建鋒助理研究員、華中科技大學(xué)黃敏生教授和李振環(huán)教授、西南交通大學(xué)康國政教授合作，采用三維多尺度離散位錯動力學(xué)方法研究了梯度結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)行為及其內(nèi)在微觀機理。研究成果“Multiscale discrete dislocation dynamics study of gradient nano-grained materials”日前在International Journal of Plasticity上在線發(fā)表。

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https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103356

在三維多尺度離散位錯動力學(xué)框架中建立了梯度晶粒結(jié)構(gòu)（圖1a, b）及其對應(yīng)的均勻晶粒結(jié)構(gòu)多晶模型。采用基于“粗?；狈椒ǖ目纱┩妇Ы缒Ｐ蛠砜紤]位錯與晶界之間的交互作用（Zhang et al. Acta Mater. 202 (2021) 88-98）。模擬結(jié)果顯示梯度晶粒試樣的屈服應(yīng)力和硬化率大于通過混合法則（ROM）得到的值（圖1c），表明梯度結(jié)構(gòu)材料具有協(xié)同強化效應(yīng)。對于梯度晶粒試樣，其微結(jié)構(gòu)演化結(jié)果表明位錯首先在大晶粒內(nèi)激活和運動，并逐漸擴散到更小的晶粒中（圖2），不同晶粒尺寸梯度層的先后屈服導(dǎo)致應(yīng)力和應(yīng)變沿梯度方向上呈梯度分布（圖3）。此外，模擬發(fā)現(xiàn)梯度晶粒試樣的包辛格效應(yīng)比均勻晶粒試樣更加顯著，這表明梯度晶粒試樣在塑性變形過程中具有更強的背應(yīng)力強化。最后，基于卸載階段位錯演化的特征建立了可以同時描述梯度晶粒和均勻晶粒試樣包辛格效應(yīng)的理論模型。本研究從亞微米尺度的離散位錯動力學(xué)角度進一步揭示梯度納米結(jié)構(gòu)金屬材料的變形機理，可為梯度納米結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

圖1（a, b）梯度晶粒結(jié)構(gòu)模型以及（c）梯度晶粒和均勻晶粒結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2梯度晶粒結(jié)構(gòu)（a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線（b）位錯密度-應(yīng)變曲線和（c-h）位錯結(jié)構(gòu)演化圖

圖3梯度晶粒結(jié)構(gòu)（a-c）等效應(yīng)力云圖、（d-f）等效應(yīng)變云圖、以及（g）等效應(yīng)力和（h）等效應(yīng)變沿梯度方向的分布

論文通訊作者為張旭教授，第一作者為博士研究生陸宋江，合作者有趙建鋒助理研究員、黃敏生教授、李振環(huán)教授和康國政教授。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會（11672251, 11872321, 12192214和12192210）的資助。

審核編輯 ：李倩