異構(gòu)層狀材料微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)聯(lián)的本構(gòu)建模分析

異構(gòu)層狀金屬材料是一類典型的以界面主導(dǎo)力學(xué)性能的材料。異構(gòu)層狀材料中相鄰層在成分、厚度、晶粒尺寸、晶體結(jié)構(gòu)、晶體取向等方面均可調(diào)可控，因此微結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有巨大的空間。與傳統(tǒng)均勻金屬材料相比，異構(gòu)層狀金屬材料可將各組元材料的優(yōu)勢協(xié)同發(fā)揮，兼具輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、熱穩(wěn)定、抗輻照、耐磨損和抗疲勞等性能，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并有望作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)于汽車工業(yè)、航空航天和核防護(hù)等領(lǐng)域。

由于具備典型的層狀結(jié)構(gòu)，界面主導(dǎo)的變形機(jī)制和力學(xué)響應(yīng)是異構(gòu)層狀材料研究的重中之重。近年來，針對異構(gòu)層狀材料的制備、表征以及單拉和疲勞性能測試已經(jīng)有豐富的研究成果報道，然而，層狀材料的本構(gòu)模型研究還相當(dāng)匱乏，材料中的多尺度界面（晶界、層間界面）對宏觀力學(xué)性能的定量影響不清楚，導(dǎo)致材料微結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能缺乏定量關(guān)聯(lián)，限制了材料進(jìn)一步的性能優(yōu)化。

針對上述問題，西南交通大學(xué)“材料本構(gòu)關(guān)系和疲勞斷裂”研究團(tuán)隊(duì)“多尺度材料力學(xué)”研究組張旭教授（https://faculty.swjtu.edu.cn/xu_zhang/）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、德國埃爾朗根紐倫堡大學(xué)的MichaelZaiser教授、西南交通大學(xué)康國政教授、四川大學(xué)黃崇湘教授等合作，考慮層狀材料中晶界和層間界面引入的非均勻變形，基于位錯塞積理論引入不同層級的界面對位錯的阻礙效果（如圖1所示），導(dǎo)出了幾何必需位錯密度和背應(yīng)力演化模型，最終建立了關(guān)聯(lián)層狀材料的微結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)響應(yīng)的本構(gòu)模型，并對層狀Cu/Cu10Zn材料進(jìn)行了模擬。

圖1.層狀材料中晶界和層間界面處位錯塞積示意圖

所建立的本構(gòu)模型可以很好地描述不同晶粒尺寸的均勻晶粒材料以及不同層厚的層狀材料的單軸拉伸響應(yīng)，如圖2所示。

圖2.（a）均勻晶粒結(jié)構(gòu)Cu、Cu10Zn的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比；（b）不同層厚的層狀Cu/Cu10Zn的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比

通過分析發(fā)現(xiàn)，層狀材料中界面引入的非均勻變形程度以及非均勻變形區(qū)域的大小是主導(dǎo)其單拉力學(xué)響應(yīng)的關(guān)鍵，對材料強(qiáng)度-韌性有重要影響。模擬發(fā)現(xiàn)隨著層厚的不斷減小，層狀材料的應(yīng)變硬化率逐漸增加，與實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致，但是實(shí)際材料的均勻伸長率卻是先增加后減小，這與Considère準(zhǔn)則的預(yù)測結(jié)果不符。原因在于界面影響區(qū)中有高密度的幾何必需位錯累積，引入了高水平的背應(yīng)力，導(dǎo)致界面影響區(qū)成為重要的硬化區(qū)域。因此當(dāng)層厚較大時，界面影響區(qū)的影響較小，材料的響應(yīng)主要由粗晶和細(xì)晶層自身決定；隨著層厚的減小，界面影響區(qū)的作用逐漸凸顯，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度不斷提升，應(yīng)變硬化率也不斷增加。在實(shí)際材料的變形過程中，當(dāng)層厚減小時界面附近的應(yīng)力集中可能會導(dǎo)致材料的破壞，因此會出現(xiàn)層厚減小，但均勻伸長量先增加后減小。

在驗(yàn)證了模型的有效性之后，進(jìn)一步使用上述模型以及同一套參數(shù)對不同納晶層體積分?jǐn)?shù)的層狀Cu/Cu10Zn的單拉實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了預(yù)測，如圖3所示。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的良好吻合進(jìn)一步證明了本研究建立的本構(gòu)模型可以作為關(guān)聯(lián)異構(gòu)層狀材料微結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能的重要工具。

圖3.（a）不同納晶層體積分?jǐn)?shù)的層狀Cu/Cu10Zn的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比；（b）模擬結(jié)果與簡單混合法則的計算結(jié)果對比

研究成果以“Size-dependent plasticity of hetero-structured laminates: a constitutive model considering deformation heterogeneities”為題，在International Journal of Plasticity期刊。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.103063

該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會（11672251,11872321）以及國家留學(xué)基金管理委員會（201907000006，201907000149）的資助。

審核編輯 ：李倩