Int. J. Mech. Sci.：双层高熵合金的全场非局部晶体塑性研究

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图文摘要：

异质结构材料（如双层、梯度结构）因其独特的微观结构和异质变形诱导（HDI）强化效应，展现出优异的综合力学性能，超越了传统材料。理解其强化机制（包括几何必需位错GNDs和剪切带SBs的作用）对于材料设计至关重要。然而，在晶粒和宏观尺度上显式模拟这些机制，特别是GNDs的演化及其对硬化的贡献，仍然是一个挑战，现有模拟方法（如MD、DDD、均匀化模型）存在局限性。

来自英国卡迪夫大学卡迪夫工程学院的Shuai Zhu等开发了一种新的全场非局部晶体塑性有限元模型（CPFEM），该模型不依赖均匀化方案，而是显式地包含了几何必需位错（GNDs）、背应力硬化和损伤准则，能够同时研究晶粒和样品尺度的位错介导塑性。模型以一种双层结构的高熵合金（HEA）为对象进行了模拟，并将结果与文献中的实验数据进行对比验证。模拟首先研究了不同晶粒尺寸（5-100μm）的均匀HEA材料，验证了模型捕捉GNDs引起的尺寸效应（包括各向同性硬化和运动硬化/背应力）的能力。随后，模拟了具有14μm和46μm晶粒尺寸的双层HEA的拉伸行为，研究了应力应变响应、剪切带（SBs）形成、GND分布、应力分配和损伤萌生等。

图1 (a) 双层高熵合金（HEA）试样的有限元模型，展示了两区域间不同晶粒尺寸d、几何尺寸、施加的约束条件以及加载方式；(b) 铸态与RA均质HEA试样的模拟与实验工程应力-应变曲线对比；(c) 双层HEA试样及区域1和区域2独立样品的应力-应变曲线对比。4-LSP指的是文献[4]中作者完成的四次激光冲击强化操作。实线表示模拟数据，点状符号表示实验数据。RA试样的强度明显高于其浇铸态对应物，表现出由细晶粒引发的显著强化效应。

图2 (a) εx与(b) εy在双层高熵合金（HEA）模拟试样中的分布情况，分别对应整体应变为2%、5%、10%、15%和20%，其中εx和εy分别表示沿x方向和y方向的应变。结果表明，剪切带（SBs）在两个区域中均在较小应变时开始形成，并随着外加载荷的增加而稳定扩展。

图3 (a) 沿“路径A”方向，在整体应变20%时模拟的双层高熵合金（HEA）中的几何必要位错（GND）密度分布；(b) 沿“路径B”方向的GND密度分布，其中红色实线和黑色实线分别表示独立HEA样品和双层HEA样品；(c) 在整体应变为2%、5%、10%、15%和20%时的GND密度分布；(d) 在20%应变下沿“路径A”方向模拟得到的双层HEA中的von Mises应力分布；(e) 整体双层HEA模型在2%、5%、10%、15%和20%应变下的von Mises应力分布情况。结果显示，在区域1中，GND密度与von Mises应力均明显高于区域2，且分布更加不均匀，且随着外加载荷增加呈现出稳定增长的趋势。

图4 在整体应变20%时，模拟的双层高熵合金（HEA）中12个滑移系上的背应力分布情况。结果表明，区域1中的背应力高于区域2。

图5 (a) 在20%整体应变下，模拟双层高熵合金（HEA）中JC损伤因子值的分布；(b) 从(a)中提取的局部放大区域，由5个晶粒组成，其中一个晶粒与其他四个晶粒之间存在明显取向偏差；(c) 该局部区域内剪切带（SBs）的演化过程，以及(d) 损伤演化过程，分别对应0.2%至20%的应变范围；(e)、(f)、(g) 在20%应变下，该局部区域沿x、y、z方向的晶体取向分布；(h) 在20%应变下，该局部区域的累积滑移分布。LE22表示加载方向上的应变。图中红色区域表示数值较大，蓝色区域表示数值较小。结果表明，剪切带、JC损伤、晶体旋转及滑移累积倾向于沿取向相近的晶粒之间发生。

本研究的创新点在于提出了一种新颖的全场、非局部CPFEM框架，能够显式模拟异质结构材料中GNDs的演化、背应力硬化和损伤萌生，无需均匀化处理。该模型成功揭示了在所研究的双层HEA中，SBs倾向于沿取向相似的晶粒传播并引起显著晶粒旋转。一个重要的发现是，对于微米级别的晶粒尺寸（14μm/46μm），GNDs主要在晶界处累积，而非在异质层界面处，这对理解HDI强化机制提出了新的视角。此外，研究还将JC损伤准则与SBs演化关联，为预测裂纹萌生提供了可能。