異構層狀金屬材料是一類典型的以界面主導力學性能的材料。異構層狀材料中相鄰層在成分、厚度、晶粒尺寸、晶體結構、晶體取向等方面均可調可控，因此微結構優化具有巨大的空間。與傳統均勻金屬材料相比，異構層狀金屬材料可將各組元材料的優勢協同發揮，兼具輕質、高強、高韌、熱穩定、抗輻照、耐磨損和抗疲勞等性能，引起了學術界的廣泛關注，并有望作為結構材料應于汽車工業、航空航天和核防護等領域。

由于具備典型的層狀結構，界面主導的變形機制和力學響應是異構層狀材料研究的重中之重。近年來，針對異構層狀材料的制備、表征以及單拉和疲勞性能測試已經有豐富的研究成果報道，然而，層狀材料的本構模型研究還相當匱乏，材料中的多尺度界面（晶界、層間界面）對宏觀力學性能的定量影響不清楚，導致材料微結構與宏觀力學性能缺乏定量關聯，限制了材料進一步的性能優化。

針對上述問題，西南交通大學“材料本構關系和疲勞斷裂”研究團隊“多尺度材料力學”研究組張旭教授（https://faculty.swjtu.edu.cn/xu_zhang/）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、德國埃爾朗根紐倫堡大學的MichaelZaiser教授、西南交通大學康國政教授、四川大學黃崇湘教授等合作，考慮層狀材料中晶界和層間界面引入的非均勻變形，基于位錯塞積理論引入不同層級的界面對位錯的阻礙效果（如圖1所示），導出了幾何必需位錯密度和背應力演化模型，最終建立了關聯層狀材料的微結構與宏觀力學響應的本構模型，并對層狀Cu/Cu10Zn材料進行了模擬。

圖1.層狀材料中晶界和層間界面處位錯塞積示意圖

所建立的本構模型可以很好地描述不同晶粒尺寸的均勻晶粒材料以及不同層厚的層狀材料的單軸拉伸響應，如圖2所示。

圖2.（a）均勻晶粒結構Cu、Cu10Zn的模擬結果與實驗結果的對比；（b）不同層厚的層狀Cu/Cu10Zn的模擬結果與實驗結果的對比

通過分析發現，層狀材料中界面引入的非均勻變形程度以及非均勻變形區域的大小是主導其單拉力學響應的關鍵，對材料強度-韌性有重要影響。模擬發現隨著層厚的不斷減小，層狀材料的應變硬化率逐漸增加，與實驗結論一致，但是實際材料的均勻伸長率卻是先增加后減小，這與Considère準則的預測結果不符。原因在于界面影響區中有高密度的幾何必需位錯累積，引入了高水平的背應力，導致界面影響區成為重要的硬化區域。因此當層厚較大時，界面影響區的影響較小，材料的響應主要由粗晶和細晶層自身決定；隨著層厚的減小，界面影響區的作用逐漸凸顯，導致材料的強度不斷提升，應變硬化率也不斷增加。在實際材料的變形過程中，當層厚減小時界面附近的應力集中可能會導致材料的破壞，因此會出現層厚減小，但均勻伸長量先增加后減小。

在驗證了模型的有效性之后，進一步使用上述模型以及同一套參數對不同納晶層體積分數的層狀Cu/Cu10Zn的單拉實驗結果進行了預測，如圖3所示。模擬結果與實驗結果的良好吻合進一步證明了本研究建立的本構模型可以作為關聯異構層狀材料微結構與宏觀力學性能的重要工具。

圖3.（a）不同納晶層體積分數的層狀Cu/Cu10Zn的模擬結果與實驗結果的對比；（b）模擬結果與簡單混合法則的計算結果對比

研究成果以“Size-dependent plasticity of hetero-structured laminates: a constitutive model considering deformation heterogeneities”為題，在International Journal of Plasticity期刊。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.103063

該研究工作得到了國家自然科學基金委員會（11672251,11872321）以及國家留學基金管理委員會（201907000006，201907000149）的資助。

審核編輯 ：李倩