157 / 2021-04-12 20:57:49

梯度结构材料的强韧化机理与微结构调控

梯度结构,背应力,微结构设计,本构模型

梯度结构材料是一种典型的非均匀结构材料，微结构的多级构筑使纳米尺度的强度优势和微米尺度的韧性优势得以协调发挥。实验研究表明，梯度结构材料在变形过程中由于变形的非均匀性导致大量的几何必需位错累积，进而导致很强的背应力强化，对其韧性的提升以及强韧性协同有关键贡献。如何在非局部模型中考虑非均质微结构导致的变形非均匀性有待深入研究。针对上述问题，建立了描述梯度结构材料力学行为的多机制本构模型。本构模型同时考虑了试样层次和微结构层次的变形非均匀性引入的几何必需位错及其导致的背应力。本构模型的有限元实现，很好地模拟了梯度晶粒结构材料的力学行为，并揭示了梯度晶粒结构材料的背应力强化主要来源于细晶。在此基础上，调控梯度结构层的体积分数和梯度层中晶粒尺寸的分布，预测出实验所观察到的“强度-韧性”线性关系。多机制本构模型的建立，对理解梯度结构材料的强韧机理、指导其微结构优化设计和评估其服役安全具有重要意义。