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西南交大Top期刊:梯度纳米晶材料的本构建模及微结构调控
发布:blast_k   时间:2019/1/10 17:05:33   阅读:395 
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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


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
 
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