四川大學&北卡羅萊那州立大學Scripta Materialia：異構形變誘導（HDI）硬化與梯度應變的關系

【研究背景】

通過引入高密度的異構域界面，異構金屬和合金具有克服強度-延性倒置的潛力。這些區域界面不同于傳統均勻材料的晶界和雙晶界。根據微觀力學中的應變梯度塑性理論，為適應塑性應變梯度，需要幾何必要位錯(GNDs)的疊加。這些GNDs除了因位錯總密度增加而引起的各向同性強化外，還將產生背應力強化和硬化。最近人們認識到，背應力強化和硬化的術語不能準確地描述界面上發生的實際物理現象，因為GND堆積不僅在軟域產生背應力，而且在硬域也產生正向應力。因此機械試驗測得的背應力被重新命名為異質變形誘導應力(HDI)，以準確描述異質結構材料的附加應變硬化。

在梯度塑性理論中假設GND密度和梯度與界面附近的應變梯度定量相關。測量應變梯度并在域界面附近發現界面影響區（IAZ）。這些早期的工作使人們相信HDI硬化隨著應變梯度而增加，并且它們之間存在定量關系。然而，最近的原位透射電子顯微鏡（TEM）檢查顯示，Frank-Read源和位錯堆積在拉伸試驗期間動態形成并消失，這表明GND密度和梯度可能與應變梯度并無定量關系。為了澄清這個問題，必須比較界面周圍的應變梯度和相關的HDI應力的發展。

【成果簡介】

近日，四川大學黃崇湘教授聯合美國北卡羅萊那州立大學朱運田教授將微尺度數字圖像相關（μ-DIC）用于表征拉伸試驗期間界面受影響區（IAZ）中應變梯度的演變，將結果與HDI硬化的演變進行了比較，HDI硬化是通過卸載-再加載方法測量的。比較顯示，HDI硬化與IAZ中的應變梯度增加不具有線性關系。這是因為一些GND堆積可能被界面吸收，因此隨著應變梯度的增加不會線性增加HDI硬化。跨界面的更高應變不相容性產生更高的應變梯度。異構界面的強化效應主要源于HDI應力的發展。該成果近日以題為“Hetero-deformation induced (HDI) hardening does not increase linearly with strain gradient”發表在知名期刊Scripta Materialia上。

【圖文導讀】

圖一：制備材料的μ-DIC應變測量

（a）三種類型層壓板的硬度分布。

（b）-ε_x應變在約10％的拉伸應變下圖案：CG/NS_10Zn，（c）CG/NS_30Zn和（d）CG/CG。在坐標中，Y是拉伸方向，X是垂直于界面的樣品厚度方向。（e）統計平均應變ε_x的分布與距右界面的距離的關系。

圖二：應力隨施加應力的變化

（a）CG/NS_10Zn層壓板中應變ε_x隨施加應變ε_y的統計變化。

（b）平均值|dε_x/d_x|隨著應變變化，IAZ幾乎呈線性增加。

圖三：由IAZ的單位體積分數推導出HDI應力

（a）具有不同層厚度的CG/NS_10Zn層壓板的LUR曲線，即具有不同體積分數IAZ（V_IAZ）的CG/NS_10Zn樣品。

（b）層壓板的總σ_HDI。

（c）作為V_IAZ函數的總σ_HDI的線性擬合，顯示在某一應變下σ_HDI，IAZ的推導。

（d）施加應變的σ_HDI，IAZ的演變。

圖四：CG/NS_10Zn的實際應力-應變

（a）CG/NS_10Zn層壓板的單軸拉伸響應。

（b）從IAZ的每單位體積分數發展的總強化效應（σ_f，IAZ）和位錯強化（σ_dis，IAZ）。

【全文小結】

綜上所述，作者發現機械不相容性誘導IAZ的形成，其中負應變梯度在垂直于界面的方向上發展。IAZ中應變梯度的強度隨施加的應變線性增加，而IAZ中GND堆積產生的HDI應力在早期應變階段迅速增加，然后減慢到近似飽和。這是由于在應變過程中界面附近的位錯堆積的動態形成和消失，并表明它們之間沒有定量關系。重要的是，異構界面的應變梯度相關強化效應主要源于HDI應力的發展，而不是總位錯密度的增加。這項工作揭示了通過構建異構界面來增強異形變誘導硬化的可能性。

文獻鏈接：Hetero-deformation induced (HDI) hardening does not increase linearly with strain gradient (Scripta Materialia, 2020, 174, 19-23)

本文由大兵哥供稿。

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