四校联合发表《IPJ》：首次发现梯度结构金属材料的致密均匀剪切带！
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导读：在拉伸变形过程中，纳米结构(NS)金属通常在屈服后很快因形成局部剪切带而失效。本文观察到了高密度剪切带，这些剪切带均匀地分散在梯度镍样品的NS层中。这些剪切带在早期弹性/塑性应变阶段成核，在3%应变时达到数饱和，并在整个塑性变形过程中被中心粗晶(CG)基体阻止，导致与CG基体相当的均匀拉伸塑性。NS表层与CG基体的弹塑性相互作用促进了分散剪切带的形成，并受NS表层表面粗糙度和硬度变化的影响。剪切带的宽度保持不变，但应变积累的强度随着施加的拉伸应变几乎线性增加，表明剪切带过程稳定。
从纳米结构表层到粗晶粒中心层晶粒尺寸不断增大的梯度结构材料因其优异的强度和延展性组合而引起了广泛关注。不同层之间的机械不相容性被认为是观察到的机械行为和优异性能的原因。具体来说，在拉伸测试期间，较软的CG层首先屈服以开始塑性变形，产生塑性/弹性界面，在该界面处几何上必需的位错堆积以产生背应力强化和额外的加工硬化。
剪切带是在多晶金属塑性变形过程中，跨越多个晶界和孪晶界的狭窄区域内的剪切应变局部化。它是由局部应变不稳定性引起的，并伴随着剧烈的局部取向和织构变化。应变硬化被认为是防止剪切带所必需的。纳米结构材料由于应变硬化能力低，特别容易出现剪切带。在梯度结构金属中，剪切带可能在NS层中开始。然而，剪切带可能难以通过样品的厚度/横截面传播，因为中心CG层通常具有高得多的应变硬化能力，这可用于稳定剪切带。这需要进一步研究。
最近，四川大学联合北卡罗来纳州立大学、南京理工大学等科研机构利用原位数字图像相关(DIC)技术，系统地研究了大厚度3.6 mm梯度结构镍板NS层剪切带的形成。结果发现该系统形成了高密度的均匀分散剪切带，而不是传统均匀多晶样品中所报道的单个突变剪切带。剪切带不是破坏前的一种现象，而是纳米碳化物层适应大塑性应变的主要机制。相关研究成果以题“Dense dispersed shear bands in gradient-structured Ni”发表在金属顶刊International Journal of Plasticity上。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641919303134
图1 (A) 梯度拉伸试样的几何图形说明；(B) 在测量截面的NS表面上典型散斑图(左子图)和详细灰度分布(右子图)。
图2 三种梯度样品测量表面粗糙度的线性分布。
致密分散的SBs均匀分布在NS表层，并在整个塑性变形过程中稳定演化，产生了良好的均匀延伸率(大于30.6%)，远高于独立的NS表层(约6.8%)。
图3 (A)从纳米结构表层到粗晶中心层的梯度结构；(B) 亮场TEM图像，显示最顶部表面的NS；(C)接收梯度样品在机械梯度层中测量的显微硬度剖面。
分散SBs的形核开始于早期弹塑性过渡阶段，并在约3%应变时达到饱和。梯度组织、表面粗糙度和硬度变化在NS表层中引入了丰富的软/硬畴边界。域边界处弹塑性相互作用引起的应力集中促进了SBs的早期成核。CG基体和邻近的硬畴阻碍了早期SBs的传播，为在分散的应力集中位置形成更多的SBs提供了机会。
图4梯度试样和独立的NGSL和均匀的CG基体层的拉伸工程应力-应变曲线。
图5 NiRASP-ϕ2 (A1-A2)、NiRASP-ϕ1 (B1-B2)和NiPSNC (C1-C2)等梯度样品及均匀CG (D1-D2)样品表面的应变εy(左列)和对应的εx(右列)分布。
图6 SBs中的应变分布与演化。
大应变阶段稳定的剪切带是由中心重心矩阵和SBs相互交点的稳定和力学约束维持的。剪切带中的大应变是由机械驱动的晶界迁移所调节的。剪切带中晶粒粗化使应变硬化能力恢复，有利于稳定剪切带变形。表面粗糙度通过影响表层应力集中而影响SBs的形貌。
图7 (A)在不同应变阶段NiRASP-ϕ2试样表面的SBs；(B)真应力-应变曲线，显示P1-P4的应变阶段。
图8梯度样品中SBs的密度演化。
图9 从NiRASP-ϕ1材料剥离的独立式NGSL表面上的SBS：(A1)εy；(A2) εx。
图10 梯度试样NS表层在弹塑性过渡阶段施加的载荷和约束示意图。
图11 NiRASP-ϕ2样品的下表面层(深度130 μm)上测量的维氏硬度轮廓。
图12 NiRASP-ϕ1样品侧面的SBs，在7.22%的外加应变下测量
图12 NiRASP-ϕ1最高层亮场透射电镜照片及粒度统计分布