梯度纳米结构(GNS)金属相关于非梯度金属表现出较高强度。但是，源自塑性应变梯度部分额定强度的空间散布依然难以捉摸。这项作业的重点是表征梯度纳米孪晶(GNT)铜中塑性应变的梯度散布。全场应变映射提醒了单轴拉伸GNT Cu样品横向应变梯度散布。发现跟着结构梯度的添加，GNT样品的横向应变梯度添加但最大横向应变差减小。后者的呈现是由于初始屈从强度最低的最软层在拉伸变形过程中取得了最大的部分额定强度，反之亦然。

  这种部分额定强度的梯度散布是塑性应变梯度和晶粒尺度联合强化作用的成果。试验成果为应变梯度塑性模型供给支撑，以提醒部分额定背应力和部分额定强度随载荷添加的梯度散布。梯度塑性变形的耦合试验和建模表征供给了对梯度纳米结构中梯度强化效应的时空演化的深化机制了解。相关作业以“Characterization of gradient plastic deformation in gradient nanotwinned Cu”为题宣布在金属资料尖端期刊《Acta Materialia》上。

  具有梯度纳米结构空间散布的梯度纳米结构 (GNS) 资料相关于非梯度纳米结构资料能够表现出优异的机械性能。例如，GNS资料一般具有十分超卓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资猜中彼此抵触。需求表征梯度纳米结构的梯度塑性变形，以便全方面了解GNS资料的潜在变形机制和由此发生的力学效应。例如，梯度微结构长度的散布（例如孪晶厚度和晶粒尺度经过GNS样品的厚度）能够导致梯度屈从强度的散布。在拉伸载荷下，经过样品厚度发生渐进屈从，由于塑性应变开始于初始屈从强度最低的最软区域，并跟着载荷的添加扩展到较硬的区域。因而，弹性应变和塑性应变的梯度散布在样品厚度范围内开展，而总拉伸应变简直坚持均匀。为了习惯塑性应变的梯度，会发生几许必要位错(GND)，因而导致GNS资料的额定强化作用，这能够终究靠梯度塑性模型进行评价。

  GNS样品的总应变能够很容易地丈量。但是，直接丈量空间改变的塑性应变依然具有挑战性。经过GNS资料样品厚度的横向应变演化包含有关梯度塑性应变的信息，而且现已过全场应变丈量表征。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添加，标明梯度塑性应变的散布。

  最近，在孪晶厚度和晶粒尺度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体系，具有高度可控的微观结构梯度，可用于研讨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依据均质组分相应值的混合物规矩的估量，而额定强度和加工硬化率跟着结构梯度的添加而添加。当结构梯度足够大时，GNT Cu的强度乃至超过了孪晶厚度最细的最强均质组分，表现出明显的额定强化作用。

  GNS资料的力学现现已过依据非梯度塑性模型的核算模型进行了研讨。GNG Cu中的梯度塑性应变由晶体塑性有限元模型提醒，该模型考虑了晶粒尺度对屈从强度和应变硬化率的依赖性。依据GNG IF钢样品旁边面的模仿高度概括，提出了一个简略的物理规律来相关额定应变硬化和不均匀变形。考虑到变形孪晶，开发了依据位错的晶体塑性有限元模型来猜测具有三种梯度微观结构（即梯度晶粒尺度、位错密度和孪晶分数）的GNS TWIP钢的拉伸响应和横向缩短。

  最近，经过扩展经典的依赖于速率的J2活动理论并将塑性应变梯度的强化效应归入塑性阻力中，开展了应变梯度塑性(SGP)理论。相关的数值模仿提醒了单轴拉伸下GNT Cu梯度塑性的几个主要特征，包含渐进屈从、塑性应变的梯度散布和额定的塑性阻力。开发了一个扩展的SGP理论来解说试验丈量的有用应力和背应力对塑性阻力的奉献。依据扩展SGP理论的试验丈量和数值模仿标明，GNT Cu相关于非梯度对应物的额定强度主要是由纳米孪晶厚度梯度发生的额定背应力引起的，而有用应力简直与结构梯度无关。此外，GNT Cu中结构梯度的添加导致塑性应变梯度添加，然后添加了额定的背应力。虽然这项研讨现已建立了GNG Cu中结构梯度、塑性应变梯度、额定背应力和额定强度的机制联络，但缺少关于梯度塑性变形空间散布的直接试验信息。因而，对GNS资料强化作用的了解仅限于样本级机械响应与结构梯度的相关性。GNS资猜中梯度塑性应变的空间散布和演化及其对部分和全体额定强度的影响尚不清楚。

  这项作业，将单轴拉伸载荷应用于四种具有不一样结构梯度的GNT Cu样品，并运用全场应变映射技能表征这些样品横截面的梯度横向应变的空间散布。丈量了每种类型GNT Cu样品的全体有用应力和背应力。经过考虑饱满额定背应力的晶粒尺度依赖性改善了扩展的SGP理论。依据改善的SGP理论的数值模仿经过将GNT Cu样品有用应力和背应力的猜测与试验值相匹配来校准，并进一步显现与试验丈量共同的梯度塑性应变的空间散布。

  图1 GNT-1横截面（xy面）的横向应变散布。(a)拉伸样品示意图。(b)GNT微观结构示意图。(c)SEM图和硬度散布。(d)在ε=0处丈量的侧外表高度概括。(e)与(d)相同，但ε=1%。(f)分别从(d) 和(e)中提取的ε = 0和1%处样品厚度的均匀高度剖面。

  图2 GNT-2横截面（xy面）的横向应变散布。(a)GNT微观结构示意图。(b)SEM图和硬度散布。(c)在ε=0处丈量的侧外表高度概括。(d)与(c)相同，但ε=1%。(e)分别从(d) 和(e)中提取的ε = 0和1%处样品厚度的均匀高度剖面。

  图5 塑性应变的SGP成果。(a) GNT-1到GNT-4在ε= 1%时塑性应变散布。（b）在ɛ=1%猜测的结构梯度与来自试验数据的结构梯度。

  归纳试验和SGP建模提醒了GNT Cu中部分塑性应变、额定背应力和额定强度的时空演化。发现添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。因而，具有较低初始屈从强度的软区域比较硬区域取得更加多额定强度，而且这种增益跟着结构梯度的添加而扩大。SGP建模依据成果得出，部分额定背应力不只取决于塑性应变梯度和GND密度，还取决于晶粒尺度。较大的晶粒尺度会发生较高的部分额定背应力，由此发生较高的部分额定强度，导致最硬和最软区域之间的塑性应变差异减小。以上说明晰经过全场应变映射量化塑性应变散布的时空演化关于说明GNT Cu的部分和全体强化作用的重要性。从广义上讲，这项作业为未来高性能梯度纳米结构金属开展供给了梯度微结构强化效应的深化机制了解。（文：早早）

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