梯度结构材料的力学行为及其内在微观机理

材料的强度和韧性往往存在“倒置”关系，如何同时提高材料的强度和韧性是力学和材料学领域研究的热门课题。受自然界中如骨骼和竹子等生物材料中梯度结构的启发，梯度结构金属材料的设计思想应运而生。梯度结构材料相比于均匀结构材料具有诸多优异的力学性能，包括优越的强韧匹配性以及显著的抗疲劳和抗磨损性能等。

目前，梯度纳米结构金属材料的主要研究手段包括实验研究、分子动力学模拟以及基于宏观弹塑性本构/晶体塑性本构/应变梯度塑性本构的有限元模拟。这些研究极大地提高了人们对梯度结构金属材料的强韧性等力学性能及其内在机理的认识。然而，通过多尺度计算和模拟方法来分析梯度结构材料的微结构与强韧化关联还有待进一步研究。

针对上述问题，西南交大张旭教授“多尺度材料力学”研究组与中国工程物理研究院总体工程研究所赵建锋助理研究员、华中科技大学黄敏生教授和李振环教授、西南交通大学康国政教授合作，采用三维多尺度离散位错动力学方法研究了梯度结构材料的力学行为及其内在微观机理。研究成果“Multiscale discrete dislocation dynamics study of gradient nano-grained materials”日前在International Journal of Plasticity上在线发表。

论文链接:

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

在三维多尺度离散位错动力学框架中建立了梯度晶粒结构（图1a, b）及其对应的均匀晶粒结构多晶模型。采用基于“粗粒化”方法的可穿透晶界模型来考虑位错与晶界之间的交互作用（Zhang et al. Acta Mater. 202 (2021) 88-98）。模拟结果显示梯度晶粒试样的屈服应力和硬化率大于通过混合法则（ROM）得到的值（图1c），表明梯度结构材料具有协同强化效应。对于梯度晶粒试样，其微结构演化结果表明位错首先在大晶粒内激活和运动，并逐渐扩散到更小的晶粒中（图2），不同晶粒尺寸梯度层的先后屈服导致应力和应变沿梯度方向上呈梯度分布（图3）。此外，模拟发现梯度晶粒试样的包辛格效应比均匀晶粒试样更加显著，这表明梯度晶粒试样在塑性变形过程中具有更强的背应力强化。最后，基于卸载阶段位错演化的特征建立了可以同时描述梯度晶粒和均匀晶粒试样包辛格效应的理论模型。本研究从亚微米尺度的离散位错动力学角度进一步揭示梯度纳米结构金属材料的变形机理，可为梯度纳米结构材料的优化设计提供理论指导。

图1（a, b）梯度晶粒结构模型以及（c）梯度晶粒和均匀晶粒结构的平均应力-应变曲线

图2梯度晶粒结构（a）应力-应变曲线（b）位错密度-应变曲线和（c-h）位错结构演化图

图3梯度晶粒结构（a-c）等效应力云图、（d-f）等效应变云图、以及（g）等效应力和（h）等效应变沿梯度方向的分布

论文通讯作者为张旭教授，第一作者为博士研究生陆宋江，合作者有赵建锋助理研究员、黄敏生教授、李振环教授和康国政教授。该研究工作得到了国家自然科学基金委员会（11672251, 11872321, 12192214和12192210）的资助。

审核编辑 ：李倩