梯度晶粒双相异质结构中协同与竞争作用对塑性变形动力学的调控机制

本研究针对传统金属材料强度-塑性难以兼得的难题，通过微数字图像相关技术（Micro-DIC）和原位电子背散射衍射（in-situ EBSD）揭示了不锈钢中晶粒梯度与相异质性的协同/竞争作用机制，结合非局部谱晶体塑性模拟定量解析了局部应力应变与几何必需位错（GNDs）分布规律，为设计高性能多异质结构材料提供了理论依据。

　　

金属材料领域长期面临强度与塑性此消彼长的"跷跷板效应"，传统均质材料难以突破这一瓶颈。近年来，异质结构材料（Heterostructured materials）因其独特的异质变形诱导（HDI）强化效应成为研究热点，但多尺度异质因素（如晶粒梯度、相组成）间的交互作用机制尚不明确。山东某研究团队联合韩国国家研究基金会（NRF）在《Scripta Materialia》发表论文，通过实验与模拟相结合的方法，系统揭示了双相不锈钢中晶粒梯度与相异质性的动态作用规律。

研究采用微数字图像相关技术（Micro-digital image correlation）和原位电子背散射衍射（in-situ EBSD）实时监测变形过程中晶粒尺寸、相态及再结晶状态的演变，结合非局部谱晶体塑性模拟（Nonlocal spectral crystal plasticity simulations）定量分析局部应力应变场和几何必需位错（Geometrically necessary dislocations, GNDs）分布。实验样本为具有晶粒尺寸梯度和双相（铁素体/奥氏体）异质性的不锈钢材料。

【研究结果】

1. 早期变形阶段：晶粒尺寸梯度异质性起主导作用，通过细晶强化（Hall-Petch效应）与粗晶区的应变协调产生协同强化效果。
2. 中期变形阶段：相异质性（铁素体/奥氏体界面）与晶粒梯度产生竞争作用，相界阻碍位错运动导致应力集中，但同时促进GNDs的累积。
3. 综合效应：双异质因素通过动态再结晶（Dynamic recrystallization）调控位错密度分布，最终协同主导样品的HDI强化效果。

研究首次阐明晶粒梯度与相异质性在变形过程中的角色转换机制：早期协同促进均匀变形，中期竞争引发局部强化。该发现为设计"强度-塑性双高"的梯度多相异质结构提供了明确指导，特别是通过调控相组成比例（如铁素体/奥氏体配比）与晶粒梯度斜率（如梯度层厚度）的匹配关系。韩国合作方Hyojin Park等发展的非局部晶体塑性模型，成功预测了GNDs在异质界面的三维分布特征，为多尺度材料设计提供了量化工具。研究获得山东省自然科学基金（ZR2020QE178）和韩国NRF（NRF-2022R1A5A1030054）资助，第一作者Renhao Wu同时受韩国脑池计划（Brain Pool Program）支持，体现了国际合作在材料基因组工程中的重要性。