微纳米材料的表征方法：梯度纳米晶材料的本构建模及微结构调控

微纳米材料的表征方法：梯度纳米晶材料的本构建模及微结构调控图2 考虑和不考虑晶粒长大机制的应力云图和应变云图 在国家自然科学基金项目《梯度纳米晶粒/孪晶材料的本构建模及微结构设计》（项目编号：1167020206）的资助下，西南交通大学力学与工程学院张旭研究组与德国马普钢铁所Dierk Raabe教授团队合作开展研究，论文第一作者陆晓翀针对2011年中科院金属所卢柯院士团队在《Science》上报道的梯度纳米晶粒材料，建立了基于复杂位错演化机制的尺寸相关晶体塑性本构模型，并引入了晶粒长大机制和损伤演化模型。依托马普钢铁所Franz Roters教授团队开发的多尺度材料模拟平台DAMASK，实现了本构模型的有限元移植。梯度纳米晶粒结构材料有庞大的晶粒数目，该研究采用均匀化方法简化有限元模型，可有效地对宏观尺寸试样的力学响应进行计算模拟。模拟结果表明，该模型可以很好地描述材料的单拉力学行为与梯度微结构的关联。根据变形云图分析，表层纳米晶的晶粒长大机制

强度和韧性是衡量材料性能的两个重要标准，高强度材料抵抗应力的能力很好，而高韧性意味着材料能承受更多的塑性变形。但是，强度和韧性通常无法兼顾，超强材料往往容易发生应力集中，从而导致韧性很差，容易断裂。近年来，能够很好协调强度和韧性的梯度结构材料逐渐兴起，并且成为研究热点，具有很好的应用前景。

梯度结构材料在自然界中就普遍存在，例如：竹子和贝壳就是典型的梯度材料，人类和动物的骨骼也具有梯度结构的特征。根据不同的材料变形机理和制备工艺，梯度结构被越来越多地应用到工程材料中，比如通过在内部引入不同的梯度微结构（梯度晶粒结构、梯度孪晶结构、梯度位错结构、梯度相变结构等），使材料具备更高的强度、硬度、加工硬化能力、延展性和抗疲劳性能。经过多年发展，目前制备梯度结构材料的方法已经十分丰富，比如表面研磨、表面碾磨、物理或化学沉积、激光冲击等。

为了更好地发展和应用梯度结构材料，需要预测不同梯度结构材料的力学性能，从而进行优化调整。因此，深入理解梯度结构材料的强韧性机理、微结构演化与宏观力学响应的关联，进而建立描述梯度结构材料变形行为的本构模型，成为亟待解决的关键问题。

图1 不同的梯度微结构示意图。（来源：卢柯. 梯度纳米结构材料，金属学报 51（2015）1-10）

在国家自然科学基金项目《梯度纳米晶粒/孪晶材料的本构建模及微结构设计》（项目编号：1167020206）的资助下，西南交通大学力学与工程学院张旭研究组与德国马普钢铁所Dierk Raabe教授团队合作开展研究，论文第一作者陆晓翀针对2011年中科院金属所卢柯院士团队在《Science》上报道的梯度纳米晶粒材料，建立了基于复杂位错演化机制的尺寸相关晶体塑性本构模型，并引入了晶粒长大机制和损伤演化模型。依托马普钢铁所Franz Roters教授团队开发的多尺度材料模拟平台DAMASK，实现了本构模型的有限元移植。

梯度纳米晶粒结构材料有庞大的晶粒数目，该研究采用均匀化方法简化有限元模型，可有效地对宏观尺寸试样的力学响应进行计算模拟。模拟结果表明，该模型可以很好地描述材料的单拉力学行为与梯度微结构的关联。根据变形云图分析，表层纳米晶的晶粒长大机制可以有效缓解应力的不均匀分布，协调塑性变形，使得材料表层不容易发生应变局域化，延缓了颈缩的发生。

图2 考虑和不考虑晶粒长大机制的应力云图和应变云图

根据损伤演化云图分析，损伤起始于粗晶区，逐渐扩展到梯度区，表层纳米晶由于高强度，使得损伤很难发生。基于该模型，研究者进一步调控梯度层的厚度分数和粗晶层的晶粒尺寸，预测了不同梯度微结构下的单拉力学响应，给出了强度和韧性的分布图。模拟结果表明梯度纳米晶粒材料的强度—韧性分布呈现出近似线性关系，与实验揭示的规律一致。

图3 不同应变下的损伤演化云图

图4 应力应变曲线和强度—韧性分布图

该研究充分揭示了梯度纳米晶粒材料强韧性匹配的内在机理，在梯度结构材料的本构建模、微结构优化设计、性能调控方面具有一定的指导意义。相关研究成果已经发表在材料力学领域Top期刊International Journal of Plasticity上。

论文链接：

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

西南交通大学力学与工程学院张旭领导的多尺度材料力学研究组长期从事高强高韧结构材料力学行为、固体本构关系、多尺度实验及模拟方面的研究，欢迎同行积极沟通联系，开展合作。（张旭xzhang@swjtu.edu.cn，zhangxu_twitter）

部分参考文献：

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