異構層狀金屬材料是一類典型的以介面主導力學性能的資料。異構層狀資料中相鄰層在成分、厚度、晶粒尺寸、晶體結構、晶體取向等方面均可調可控，囙此微結構優化具有巨大的空間。與傳統均勻金屬材料相比，異構層狀金屬材料可將各組元資料的優勢協同發揮，兼具輕質、高强、高韌、熱穩定、抗輻照、耐磨損和抗疲勞等效能，引起了學術界的廣泛關注，並有望作為結構材料應於汽車工業、航空航太和核防護等領域。
由於具備典型的層狀結構，介面主導的變形機制和力學響應是異構層狀資料研究的重中之重。近年來，針對異構層狀資料的製備、表徵以及單拉和疲勞性能測試已經有豐富的研究成果報導，然而，層狀資料的本構模型研究還相當匱乏，資料中的多尺度介面（晶界、層間介面）對宏觀力學效能的定量影響不清楚，導致資料微結構與宏觀力學性能缺乏定量關聯，限制了資料進一步的性能優化。
針對上述問題，西南交大張旭教授“多尺度材料力學”研究組與中國工程物理研究院總體工程研究所趙建鋒助理研究員、德國埃爾朗根紐倫堡大學的MichaelZaiser教授、西南交通大學康國政教授、四川大學黃崇湘教授等合作，考慮層狀資料中晶界和層間介面引入的非均勻變形，基於位錯塞積理論引入不同層級的介面對位錯的阻礙效果（如圖1所示），匯出了幾何必需位錯密度和背應力演化模型，最終建立了關聯層狀資料的微結構與宏觀力學響應的本構模型，並對層狀Cu/Cu10Zn資料進行了類比。
圖1.層狀資料中晶界和層間介面處位錯塞積示意圖
所建立的本構模型可以很好地描述不同晶粒尺寸的均勻晶粒資料以及不同層厚的層狀資料的單軸拉伸響應，如圖2所示。
圖2.（a）均勻晶粒結構Cu、Cu10Zn的類比結果與實驗結果的對比；（b）不同層厚的層狀Cu/Cu10Zn的類比結果與實驗結果的對比
通過分析發現，層狀資料中介面引入的非均勻變形程度以及非均勻變形區域的大小是主導其單拉力學響應的關鍵，對資料强度-韌性有重要影響。類比發現隨著層厚的不斷减小，層狀資料的應變硬化率逐漸新增，與實驗結論一致，但是實際資料的均勻伸長率卻是先新增後减小，這與Considère準則的預測結果不符。原因在於介面影響區中有高密度的幾何必需位錯累積，引入了高水准的背應力，導致介面影響區成為重要的硬化區域。囙此當層厚較大時，介面影響區的影響較小，資料的響應主要由粗晶和細晶層自身决定；隨著層厚的减小，介面影響區的作用逐漸凸顯，導致資料的强度不斷提升，應變硬化率也不斷增加。在實際資料的變形過程中，當層厚减小時介面附近的應力集中可能會導致資料的破壞，囙此會出現層厚减小，但均勻伸長量先新增後减小。
在驗證了模型的有效性之後，進一步使用上述模型以及同一套參數對不同納晶層體積分數的層狀Cu/Cu10Zn的單拉實驗結果進行了預測，如圖3所示。類比結果與實驗結果的良好吻合進一步證明了本研究建立的本構模型可以作為關聯異構層狀資料微結構與宏觀力學性能的重要工具。
圖3.（a）不同納晶層體積分數的層狀Cu/Cu10Zn的類比結果與實驗結果的對比；（b）類比結果與簡單混合法則的計算結果對比
研究成果“Size-dependent plasticity of hetero-structured laminates: a constitutive model considering deformation heterogeneities”日前在International Journal of Plasticity上線上發表（https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.103063）。該研究工作得到了國家自然科學基金委員會（11672251，11872321）以及國家留學基金管理委員會（201907000006201907000149）的資助。2019年以來，西南交通大學“多尺度材料力學”研究組（https://faculty.swjtu.edu.cn/xu_zhang/）在國家自然科學基金委員會（11672251，11872321）的持續支持下，在先進金屬材料的多尺度力學行為研究方面取得了一系列研究成果，已在固體力學與金屬材料領域學術期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids、International Journal of Plasticity和Acta Materialia上發表10篇論文。
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