材料的強(qiáng)度和韌性往往存在“倒置”關(guān)系，如何同時(shí)提高材料的強(qiáng)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(jì)思想應(yīng)運(yùn)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)研究、分子動(dòng)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(duì)梯度結(jié)構(gòu)金屬材料的強(qiáng)韌性等力學(xué)性能及其內(nèi)在機(jī)理的認(rèn)識(shí)。然而，通過(guò)多尺度計(jì)算和模擬方法來(lái)分析梯度結(jié)構(gòu)材料的微結(jié)構(gòu)與強(qiáng)韌化關(guān)聯(lián)還有待進(jìn)一步研究。

針對(duì)上述問(wèn)題，西南交大張旭教授“多尺度材料力學(xué)”研究組與中國(guó)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(guó)政教授合作，采用三維多尺度離散位錯(cuò)動(dòng)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(jī)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(cuò)動(dòng)力學(xué)框架中建立了梯度晶粒結(jié)構(gòu)（圖1a, b）及其對(duì)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?lái)考慮位錯(cuò)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(guò)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(qiáng)化效應(yīng)。對(duì)于梯度晶粒試樣，其微結(jié)構(gòu)演化結(jié)果表明位錯(cuò)首先在大晶粒內(nèi)激活和運(yùn)動(dòng)，并逐漸擴(kuò)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(guò)程中具有更強(qiáng)的背應(yīng)力強(qiáng)化。最后，基于卸載階段位錯(cuò)演化的特征建立了可以同時(shí)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(cuò)動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)一步揭示梯度納米結(jié)構(gòu)金屬材料的變形機(jī)理，可為梯度納米結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(cuò)密度-應(yīng)變曲線和（c-h）位錯(cuò)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?cè)茍D、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(guó)政教授。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（11672251, 11872321, 12192214和12192210）的資助。

審核編輯 ：李倩