強度和韌性是衡量材料性能的兩個重要標準，高強度材料抵抗應力的能力很好，而高韌性意味著材料能承受更多的塑性變形。但是，強度和韌性通常無法兼顧，超強材料往往容易發生應力集中，從而導致韌性很差，容易斷裂。近年來，能夠很好協調強度和韌性的梯度結構材料逐漸興起，并且成為研究熱點，具有很好的應用前景。

梯度結構材料在自然界中就普遍存在，例如：竹子和貝殼就是典型的梯度材料，人類和動物的骨骼也具有梯度結構的特征。根據不同的材料變形機理和制備工藝，梯度結構被越來越多地應用到工程材料中，比如通過在內部引入不同的梯度微結構（梯度晶粒結構、梯度孿晶結構、梯度位錯結構、梯度相變結構等），使材料具備更高的強度、硬度、加工硬化能力、延展性和抗疲勞性能。經過多年發展，目前制備梯度結構材料的方法已經十分豐富，比如表面研磨、表面碾磨、物理或化學沉積、激光沖擊等。

為了更好地發展和應用梯度結構材料，需要預測不同梯度結構材料的力學性能，從而進行優化調整。因此，深入理解梯度結構材料的強韌性機理、微結構演化與宏觀力學響應的關聯，進而建立描述梯度結構材料變形行為的本構模型，成為亟待解決的關鍵問題。

圖1 不同的梯度微結構示意圖。（來源：盧柯. 梯度納米結構材料，金屬學報 51（2015）1-10）

 

在國家自然科學基金項目《梯度納米晶粒/孿晶材料的本構建模及微結構設計》（項目編號：1167020206）的資助下，西南交通大學力學與工程學院張旭研究組與德國馬普鋼鐵所Dierk Raabe教授團隊合作開展研究，論文第一作者陸曉翀針對2011年中科院金屬所盧柯院士團隊在《Science》上報道的梯度納米晶粒材料，建立了基于復雜位錯演化機制的尺寸相關晶體塑性本構模型，并引入了晶粒長大機制和損傷演化模型。依托馬普鋼鐵所Franz Roters教授團隊開發的多尺度材料模擬平臺DAMASK，實現了本構模型的有限元移植。

梯度納米晶粒結構材料有龐大的晶粒數目，該研究采用均勻化方法簡化有限元模型，可有效地對宏觀尺寸試樣的力學響應進行計算模擬。模擬結果表明，該模型可以很好地描述材料的單拉力學行為與梯度微結構的關聯。根據變形云圖分析，表層納米晶的晶粒長大機制可以有效緩解應力的不均勻分布，協調塑性變形，使得材料表層不容易發生應變局域化，延緩了頸縮的發生。

圖2 考慮和不考慮晶粒長大機制的應力云圖和應變云圖

 

根據損傷演化云圖分析，損傷起始于粗晶區，逐漸擴展到梯度區，表層納米晶由于高強度，使得損傷很難發生。基于該模型，研究者進一步調控梯度層的厚度分數和粗晶層的晶粒尺寸，預測了不同梯度微結構下的單拉力學響應，給出了強度和韌性的分布圖。模擬結果表明梯度納米晶粒材料的強度—韌性分布呈現出近似線性關系，與實驗揭示的規律一致。

圖3 不同應變下的損傷演化云圖

 

圖4 應力應變曲線和強度—韌性分布圖

 

該研究充分揭示了梯度納米晶粒材料強韌性匹配的內在機理，在梯度結構材料的本構建模、微結構優化設計、性能調控方面具有一定的指導意義。相關研究成果已經發表在材料力學領域Top期刊International Journal of Plasticity上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2018.09.007

西南交通大學力學與工程學院張旭領導的多尺度材料力學研究組長期從事高強高韌結構材料力學行為、固體本構關系、多尺度實驗及模擬方面的研究，歡迎同行積極溝通聯系，開展合作。（聯系方式：張旭xzhang@swjtu.edu.cn，微信：zhangxu_twitter）

 

部分參考文獻：

T.H. Fang, W.L. Li, N.R. Tao, K. Lu,Revealing extraordinary intrinsic tensile plasticity in gradient nano-grainedcopper, Science, 331 (2011), p. 1587

F. Roters, P. Eisenlohr, C. Kords, D.D. Tjahjanto, M. Diehl, D. Raabe,DAMASK: the Düsseldorf Advanced Material Simulation Kit for studying crystalplasticity using an FE based or a spectral numerical solver, ProcediaIutam, 3 (2012), pp. 3-10

J. Li, A.K. Soh, Modeling ofthe plastic deformation of nanostructured materials with grain size gradient, Int.J. Plast., 39 (2012), pp. 88-102

來源：材料科學與工程