通过II型背应力定义异质结构材料的结构梯度硬化现象

《Scripta Materialia》：Defining structural gradient hardening through Type II back stress for heterostructured materials

异质结构材料通过引入梯度结构产生额外强化效应，超越传统混合法则和第一类背应力强化机制，提出结构梯度强化概念量化第二类背应力贡献。

　　

作者：马婷珠

西安交通大学合金创新与设计中心（CAID），中国西安710049

摘要

最近提出的“异质结构（HS）材料”这一术语是一个涵盖广泛材料的总称，这些材料在提高机械性能方面具有巨大潜力。大多数HS材料都表现出背应力强化效应，这是所有塑性非均质材料的典型特征。为了更好地体现通过创新异质结构制备的材料的独特性，我们在这里引入了“结构梯度硬化”（SGH）的概念，这一概念捕捉了HS材料的一个本质特征，并补充了传统的强化机制。SGH指的是由于异质结构引入的特征性梯度结构而产生的额外强化效果，这种强化效果超出了混合规则所能预测的范围。这种区分是很有用的，因为总的背应力实际上可以划分为I型和II型两个部分，其中II型具体量化了由异质结构建立的结构梯度和应变梯度所导致的额外硬化效果，正如本文所阐述的那样。

章节摘录

异质结构材料

近年来，关于“异质结构（HS）材料”的研究日益增多[1]，这一主题已成为许多材料科学与工程会议上的热门议题。越来越多的出版物开始使用这一术语[1][2][3]，其中大多数研究关注HS材料的塑性变形行为。这些研究通常将HS材料同时具备的高强度和高延展性归因于异质变形诱导的强化（HDI）效应。

背应力：I型与II型

在最近的出版物中，大多数作者使用Dickson方法[12]来评估${\mathrm{\sigma \_b}}_{}$，该方法通过拉伸-卸载-重加载（LUR）试验分析滞后环，将总流动应力划分为背应力${\mathrm{\sigma \_b}}_{}$和有效应力${\mathrm{\sigma \_e}}_{}$两个部分[2]。测量得到的${\mathrm{\sigma \_b}}_{}$通常被认为是HS材料中的HDI强化效应。乍一看，这种方法似乎为定量评估异质结构的影响提供了一个标量指标。然而，样本级别的σ_b

均质纳米孪晶铜与异质纳米孪晶铜

通过直流电沉积法制备了四种类型的均质纳米孪晶（HNT）铜样品[16]，这些样品的晶粒尺寸均匀，孪晶厚度分别从28纳米、37纳米、50纳米增加到70纳米，分别称为HNT-A至HNT-D，如图2(a)所示。尽管它们的结构是均匀的，但LUR试验显示这些样品的滞后环存在明显差异（图2(b)），且随着孪晶厚度的减小，测量得到的${\mathrm{\sigma \_b}}_{}$值也随之增加。

定义结构梯度硬化

基于前述分析，我们将“结构梯度硬化”（SGH）定义为除了均质组分固有的I型背应力之外，由异质结构引入的特征性结构（应变或硬度）梯度所导致的额外强化效果。因此，SGH量化了仅由有意设计的异质结构所引起的强化效应，这是常规强化机制无法捕捉到的。

通过代表性体积元素进行分析

让我们回顾一下前面的概念，并使用多尺度方法来探讨SGH的效果。超越样本级别的描述，我们现在同时考虑结构和应力分布。图4展示了一个示意图，说明了我们的多尺度方法，考察了不同长度尺度下的大和小代表性体积元素（RVEs）[16][17][18]。例如，对于具有梯度晶粒的系统，整个样品可以被视为一个大RVE（红色框）。相比之下，

综合强化效应

上述分析表明，异质结构的主要效应是通过增强塑性应变梯度来产生额外的强度，从而导致额外的晶界 nucleation density（GND）积累和相应的II型背应力。区分II型SGH和I型背应力至关重要，因为近期文献中经常出现混淆和误解。特别是，一些研究在没有认识到重叠的情况下错误地将多种强化效应相加。

结论性评论

总之，受当前HS材料研究的启发，我们在本文中提出了一种具有特定但关键的贡献，即SGH。本文开头提出的两个关键问题都可以从这个角度得到满意的解释。首先，对于许多HS材料来说，它们的性能低于或可以通过组分的ROM平均值来很好地描述。在这种情况下，材料的性能并非真正来源于智能的异质结构设计，现有的ROM理论

作者贡献声明

马婷珠：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，研究，概念化。丁婷：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，研究，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。