材料的強度和韌性往往存在「倒置」關係，如何同時提高材料的強度和韌性是力學和材料學領域研究的熱門課題。受自然界中如骨骼和竹子等生物材料中梯度結構的啟發，梯度結構金屬材料的設計思想應運而生。梯度結構材料相比於均勻結構材料具有諸多優異的力學性能，包括優越的強韌匹配性以及顯著的抗疲勞和抗磨損性能等。
目前，梯度納米結構金屬材料的主要研究手段包括實驗研究、分子動力學模擬以及基於宏觀彈塑性本構/晶體塑性本構/應變梯度塑性本構的有限元模擬。這些研究極大地提高了人們對梯度結構金屬材料的強韌性等力學性能及其內在機理的認識。然而，通過多尺度計算和模擬方法來分析梯度結構材料的微結構與強韌化關聯還有待進一步研究。
針對上述問題，西南交大張旭教授「多尺度材料力學」研究組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、華中科技大學黃敏生教授和李振環教授、西南交通大學康國政教授合作，採用三維多尺度離散位錯動力學方法研究了梯度結構材料的力學行為及其內在微觀機理。研究成果「Multiscale discrete dislocation dynamics study of gradient nano-grained materials」日前在International Journal of Plasticity上在線發表。
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https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103356
在三維多尺度離散位錯動力學框架中建立了梯度晶粒結構（圖1a, b）及其對應的均勻晶粒結構多晶模型。採用基於「粗粒化」方法的可穿透晶界模型來考慮位錯與晶界之間的交互作用（Zhang et al. Acta Mater. 202 (2021) 88-98）。模擬結果顯示梯度晶粒試樣的屈服應力和硬化率大於通過混合法則（ROM）得到的值（圖1c），表明梯度結構材料具有協同強化效應。對於梯度晶粒試樣，其微結構演化結果表明位錯首先在大晶粒內激活和運動，並逐漸擴散到更小的晶粒中（圖2），不同晶粒尺寸梯度層的先後屈服導致應力和應變沿梯度方向上呈梯度分布（圖3）。此外，模擬發現梯度晶粒試樣的包辛格效應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程中具有更強的背應力強化。最後，基於卸載階段位錯演化的特徵建立了可以同時描述梯度晶粒和均勻晶粒試樣包辛格效應的理論模型。本研究從亞微米尺度的離散位錯動力學角度進一步揭示梯度納米結構金屬材料的變形機理，可為梯度納米結構材料的優化設計提供理論指導。
圖1（a, b）梯度晶粒結構模型以及（c）梯度晶粒和均勻晶粒結構的平均應力-應變曲線
圖2梯度晶粒結構（a）應力-應變曲線（b）位錯密度-應變曲線和（c-h）位錯結構演化圖
圖3梯度晶粒結構（a-c）等效應力雲圖、（d-f）等效應變雲圖、以及（g）等效應力和（h）等效應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、李振環教授和康國政教授。該研究工作得到了國家自然科學基金委員會（11672251, 11872321, 12192214和12192210）的資助。（文：mplusplus）
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