Comp. Mater. Sci.: 通过纳米孪晶体积分数调控纳米晶铜的强度-韧性协同效应

    通常情况下，金属材料通过晶粒细化可以提高其强度，但其延性也会随之降低。纳米孪晶界可以为位错积累提供充足的空间，因此金属材料中的纳米孪晶（NT）区域具有良好的延性。NT区域可用于弥补纳米晶粒（NG）基体延性差的缺点。因此，具有NT区的NG金属已成为纳米金属材料研究领域的热点。最近，天津大学机械工程学院X. Guo等人采用基于应变梯度塑性和Johnson-Cook模型的有限元方法模拟了具有NT区的NG金属的强度-韧性协同效应，主要分析了NG
Cu中NT区体积分数、NT区中的孪晶间距、NT区形状和分布对强度和延性的影响，研究发现，这些因素会影响材料的失效模式，从而影响材料的整体延性。

    作者分析了六种理想微观结构类型，如图1所示，其中绿色为NG
Cu，红色为NT
Cu。NT区域的形状和排列方式不同：形状包括圆形、正方形和菱形，如图1所示；排列方式包括阵列排列（图1a,
c, e）和交错排列（图1b,
d, f）。

图1六种理想微结构类型

    如图2所示，嵌入NG
Cu中的每个NT区域是分层结构。每个NT区域都有若干个超细晶粒，每个超细晶粒都有几个到100多个孪晶片层，这取决于孪晶间距（d_TW）。在具有NT区域的NG
Cu中，晶界和孪晶界的影响不可忽略，因为几何必须位错（GND）会在这些界面堆积。为此，作者采用了低阶应变梯度塑性模型来描述这些GND的作用。此外，作者还将应变梯度塑性模型与Johnson-Cook模型进行结合，以研究NG和NT
Cu的断裂失效过程。

图2具有NT区域的NG
Cu（平均晶粒尺寸74
nm）的多层级结构

    作者通过调控微结构参数研究了NT区体积分数、NT层片间距、NT区形状和分布对材料整体强度和韧性的影响，通过不同工况下的应力-应变曲线分析其断裂失效模式。其主要结论如下：（1）当孪晶间距d_TW>8
nm时，随着NT区体积分数的增加，强度略有增加，而延性单调下降。断裂过程中出现不同的失效模式。（2）由孪晶间距引起的NT区域体积分数的间接影响非常显著。体积分数的增加导致不同孪晶间距下的强度差异增大。在不同的孪晶间距下，不同的破坏模式会导致整体延性的反转：当孪晶间距最小时，整体延性最好；当孪晶间距较大时，界面脱粘降低了材料的整体延性；而在孪晶间距非常大的情况下，断裂出现在NT区域显著增加了整体延性。（3）当NT区形状改变时，不同的微裂纹萌生和扩展模式导致整体延性的差异。一般来说，具有菱形NT区域的微结构的韧性低于具有圆形区域的，并且远低于具有正方形区域的。（4）在大多数情况下，具有阵列排列的NT区域比具有交错排列的具有更好的整体延性，因为当NT区域交错排列时，微裂纹开始较早。

    相关研究成果以“Tuning
the strength-ductility synergy of nanograined Cu through nanotwin volume
fraction”为题发表在Computational
Materials Science上(Volume 203, 2022, 111073)，论文第一作者兼通讯作者为X.
Guo。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927025621007473