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异质变形被认为是梯度纳米结构金属强化的关键因素，但实现更优力学性能所需的塑性机制和最佳梯度结构仍不明确。近期，威斯康星大学的Claire Griesbach等通过三维异质纳米结构的晶体塑性模拟，揭示了异质变形所引发的塑性机制，这些机制有效地增强了流动强度和应变硬化。本文首次对基于实验梯度纳米晶结构的三维合成微观结构进行了系统的晶体塑性研究。实验表征的晶粒尺寸、位错密度梯度，以及样品的尺寸和几何形状，均通过定制开发的合成微观结构生成算法在模型中得以再现。通过在模型中应用基于物理的位错机制，并使用实验定义的位错密度分布函数而非经验性的Hall-Petch关系，我们能够在实验相关的长度尺度下探讨位错介导的塑性变形。模拟结果与实验数据高度一致，揭示了协同强化的力学机理。梯度结构在压缩过程中引发了异质变形，这一现象通过应力和应变梯度得以量化。纳米晶区域表现出较低的应变和较高的应力，而粗晶区域则承受较低的应力但经历了显著的塑性变形。研究发现，应力梯度与应变硬化率之间存在显著的线性相关性，证实了异质变形所引发的强化现象。本文清晰揭示了促进力学性能改善的活跃晶粒内外塑性机制，并确定了引发这些机制的纳米结构特征。具有平滑晶粒尺寸梯度的样品因位错聚集和亚晶界的形成而表现出高应变硬化。此外，在晶粒尺寸梯度相同的样品中观察到的不同力学性能可归因于特定取向分布的差异。这些发现表明，通过控制晶粒尺寸、位错密度梯度以及晶体的几何形状和取向，可以进一步增强梯度结构的性能。![]()
图1基于实验数据生成的合成微观结构： (a) 与实验晶粒尺寸分布拟合的曲线； (b) 与实验数据拟合的平均位错密度与晶粒直径的幂律曲线； (c-e) 基于受影响样品的合成微观结构示例，其中(c)为[100]取向，(d)为[110]取向，(e)为[111]取向； (f) 15个合成微观结构中平均晶粒尺寸与z位置的关系； (g) 15个合成微观结构中平均位错密度与晶粒直径的关系。
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图2异质变形通过[100]取向（a）、[110]取向（b）和[111]取向（c）样品的压缩后扫描电子显微镜（SEM）图像展示，以及显示模拟位移幅度的色彩图，分别对应于变形几何体的[100]（d）、[110]（e）和[111]（f）微观结构。
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图3异质变形引起的强化： (a) 所有模拟的应力-应变响应，其中“最佳”（深绿色）和“最不利”（深紫色）力学响应突出显示； (b) 展示“最佳”应力-应变响应的样品的初始微观结构； (c) 展示“最不利”应力-应变响应的样品的初始微观结构； (d) 样品高度(z)方向上的平均应变； (e) 与(b)样品对应的应变色彩图； (f) 与(c)样品对应的应变色彩图； (g) 样品高度(z)方向上的应变； (h) 与(b)样品对应的应变色彩图； (i) 与(c)样品对应的应变云图。
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图4 材料点初始和最终取向：三维颜色图展示了与图9中分析的相同样品的材料点取向（颜色编码参见右上角的IPF图）；样品根据取向（行）和力学性能（左侧为低，右侧为高）排列。
相关成果以“Crystal plasticity simulations
reveal cooperative plasticity mechanisms leading to enhanced strength and
toughness in gradient nanostructured metals”为题发表在Acta Materialia (Volume
270, 15 May 2024, 119835), 第一作者为Claire Griesbach，通讯作者为Ramathasan Thevamaran。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119835
