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论文信息：

X. Lu, X. Zhang*, M. Shi, F. Roters, G. Kang, D. Raabe, Dislocation mechanism based size-dependent crystal plasticity modeling and simulation of gradient nano-grained copper, International Journal of Plasticity. 113 (2019/02/01) 52–73. 

        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