日期：
2023-03-28 10:54:01
来源：材料基收集 编辑：材料科学与工程
梯度纳米结构(GNS)金属相对于非梯度金属表现出较高强度。然而，源自塑性应变梯度局部额外强度的空间分布仍然难以捉摸。这项工作的重点是表征梯度纳米孪晶(GNT)铜中塑性应变的梯度分布。全场应变映射揭示了单轴拉伸GNT Cu样品横向应变梯度分布。发现随着结构梯度的增加，GNT样品的横向应变梯度增加但最大横向应变差减小。后者的出现是因为初始屈服强度最低的最软层在拉伸变形过程中获得了最大的局部额外强度，反之亦然。 这种局部额外强度的梯度分布是塑性应变梯度和晶粒尺寸联合强化作用的结果 。实验结果为应变梯度塑性模型提供支撑，以揭示局部额外背应力和局部额外强度随载荷增加的梯度分布。梯度塑性变形的耦合实验和建模表征提供了对梯度纳米结构中梯度强化效应的时空演变的深入机制理解。相关工作以“Characterization of gradient plastic deformation in gradient nanotwinned Cu”为题发表在金属材料顶级期刊《Acta Materialia》上。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118673 具有梯度纳米结构空间分布的梯度纳米结构 (GNS) 材料相对于非梯度纳米结构材料可以表现出优异的机械性能 。例如，GNS材料通常具有出色的强度和延展性组合，而这两种特性在具有均匀或随机微观结构的传统材料中相互冲突。需要表征梯度纳米结构的梯度塑性变形，以便全面了解GNS材料的潜在变形机制和由此产生的力学效应。例如，梯度微结构长度的分布（例如孪晶厚度和晶粒尺寸通过GNS样品的厚度）可以导致梯度屈服强度的分布。在拉伸载荷下，通过样品厚度发生渐进屈服，因为塑性应变开始于初始屈服强度最低的最软区域，并随着载荷的增加扩展到较硬的区域。因此，弹性应变和塑性应变的梯度分布在样品厚度范围内发展，而总拉伸应变几乎保持均匀。为了适应塑性应变的梯度，会产生几何必要位错(GND)，从而导致GNS材料的额外强化效果，这可以通过梯度塑性模型进行评估。GNS样品的总应变可以很容易地测量。然而，直接测量空间变化的塑性应变仍然具有挑战性。通过GNS材料样品厚度的横向应变演变包含有关梯度塑性应变的信息，并且已通过全场应变测量表征。例如，在梯度纳米晶粒(GNG)IF钢、TWIP钢中，测得的横向应变从软区域到硬区域增加，表明梯度塑性应变的分布。 最近，在孪晶厚度和晶粒尺寸上具有双梯度的梯度纳米孪晶(GNT) Cu已被证明是一种有利的GNS系统，具有高度可控的微观结构梯度，可用于研究梯度相关的机械行为。 GNT Cu的实测强度和加工硬化率都超过了基于均质组分相应值的混合物规则的估计，而额外强度和加工硬化率随着结构梯度的增加而增加。当结构梯度足够大时，GNT Cu的强度甚至超过了孪晶厚度最细的最强均质组分，表现出显着的额外强化效果。 GNS材料的力学已经通过基于非梯度塑性模型的计算模型进行了研究。GNG Cu中的梯度塑性应变由晶体塑性有限元模型揭示，该模型考虑了晶粒尺寸对屈服强度和应变硬化率的依赖性。基于GNG IF钢样品侧面的模拟高度轮廓，提出了一个简单的物理定律来关联额外应变硬化和不均匀变形。考虑到变形孪晶，开发了基于位错的晶体塑性有限元模型来预测具有三种梯度微观结构（即梯度晶粒尺寸、位错密度和孪晶分数）的GNS TWIP钢的拉伸响应和横向收缩。 最近，通过扩展经典的依赖于速率的J2流动理论并将塑性应变梯度的强化效应纳入塑性阻力中，发展了应变梯度塑性(SGP)理论。相关的数值模拟揭示了单轴拉伸下GNT Cu梯度塑性的几个主要特征，包括渐进屈服、塑性应变的梯度分布和额外的塑性阻力。开发了一个扩展的SGP理论来解释实验测量的有效应力和背应力对塑性阻力的贡献。基于扩展SGP理论的实验测量和数值模拟表明，GNT Cu相对于非梯度对应物的额外强度主要是由纳米孪晶厚度梯度产生的额外背应力引起的，而有效应力几乎与结构梯度无关。此外，GNT Cu中结构梯度的增加导致塑性应变梯度增加，从而增加了额外的背应力。尽管这项研究已经建立了GNG Cu中结构梯度、塑性应变梯度、额外背应力和额外强度的机制联系，但缺乏关于梯度塑性变形空间分布的直接实验信息。因此，对GNS材料强化效果的理解仅限于样本级机械响应与结构梯度的相关性。GNS材料中梯度塑性应变的空间分布和演化及其对局部和整体额外强度的影响尚不清楚。 这项工作，将单轴拉伸载荷应用于四种具有不同结构梯度的GNT Cu样品，并使用全场应变映射技术表征这些样品横截面的梯度横向应变的空间分布。测量了每种类型GNT Cu样品的整体有效应力和背应力。通过考虑饱和额外背应力的晶粒尺寸依赖性改进了扩展的SGP理论。基于改进的SGP理论的数值模拟通过将GNT Cu样品有效应力和背应力的预测与实验值相匹配来校准，并进一步显示与实验测量一致的梯度塑性应变的空间分布。 图1 GNT-1横截面（xy面）的横向应变分布。(a)拉伸样品示意图。(b)GNT微观结构示意图。(c)SEM图和硬度分布。(d)在ε=0处测量的侧表面高度轮廓。(e)与(d)相同，但ε=1%。(f)分别从(d) 和(e)中提取的ε = 0和1%处样品厚度的平均高度剖面。 图2 GNT-2横截面（xy面）的横向应变分布。(a)GNT微观结构示意图。(b)SEM图和硬度分布。(c)在ε=0处测量的侧表面高度轮廓。(d)与(c)相同，但ε=1%。(e)分别从(d) 和(e)中提取的ε = 0和1%处样品厚度的平均高度剖面。 图3 平均横向应变差和横向应变梯度从GNT-1到GNT-4。 图5 塑性应变的SGP结果。(a) GNT-1到GNT-4在ε= 1%时塑性应变分布。（b）在ɛ=1%预测的结构梯度与来自实验数据的结构梯度。 综合实验和SGP建模揭示了GNT Cu中局部塑性应变、额外背应力和额外强度的时空演变。发现增加的结构梯度降低了全场应变映射中最硬和最软组件之间的最大横向应变差异。因此，具有较低初始屈服强度的软区域比较硬区域获得更多额外强度，并且这种增益随着结构梯度的增加而放大。SGP建模结果表明，局部额外背应力不仅取决于塑性应变梯度和GND密度，还取决于晶粒尺寸。较大的晶粒尺寸会产生较高的局部额外背应力，从而产生较高的局部额外强度，导致最硬和最软区域之间的塑性应变差异减小。以上说明了通过全场应变映射量化塑性应变分布的时空演变对于阐明GNT Cu的局部和整体强化效果的重要性。从广义上讲，这项工作为未来高性能梯度纳米结构金属发展提供了梯度微结构强化效应的深入机制理解。 （文：早早）