《Nature Commun》：多晶宏观点阵结构材料的强化机制！

以金属晶体结构为灵感而设计的宏观金属架构材料具有极优的损伤容限，然而此材料的强化机理尚不明确。需要深入的基础研究来揭示相关强化的潜在机制。这样将使人们更有信心不仅可控制强度，而且控制空间局部变形。

在此，来自英国帝国理工学院的Chen Liu等研究者，以多晶金属材料的结构为灵感，设计出多取向宏观点阵材料，对剪切带活动的机制进行了研究和讨论，为预测和控制亚晶的局部变形行为提供了坚实的基础。相关论文以题为“The origin of the boundary strengthening in polycrystal-inspired architected materials”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24886-z

在内部结构有序排列的基础上构建的点阵结构材料重量轻，在承重和吸收冲击能量方面具有优异的性能，使其在航空航天、汽车、医疗器械、包装和基础设施等领域得到广泛应用。晶格材料，是一种特殊类型的点阵结构材料，它是由有规则的支柱网络组成的单胞周期性排列而形成的。针对由不同基材、不同单元格类型(如等桁架、八元桁架、体心立方、陀螺和人造轴)、不同材料制成的单晶晶格材料的弹性、塑性屈服和韧性，以及使层次化晶格材料具有非凡特性的制造技术，人们进行了广泛而深入的研究。单取向晶格的主要问题之一，是塑性屈服后的强度严重下降，这是由于在整个结构中形成了主导的和快速传播的剪切带，特别是对于弹塑性材料或含有制造缺陷的拉伸主导晶格材料。因此，晶格材料的强度和能量吸收能力大大降低，限制了材料在结构应用中的适用性。剪切带的形成与组成支柱的塑性屈服、弯曲或屈曲有内在联系。由于支板在整个结构中的均匀周期性布置，一旦一个支板发生倒塌，其他某一方向的支板也会以同样的方式发生倒塌，造成损伤快速传播，强度损失较大。

最近，人们提出了一种设计高强度和极耐损伤的新型点阵结构材料的转变方法，即创造元晶体，它成功地转换了冶金机制，特别是晶界硬化，在多晶材料中发现，通过设计类多晶结构，消除屈服后坍塌和显著增强晶格材料。引入多晶激发的特性，打破单晶定向晶格中的长程周期性，进入多个名为不同取向的元晶的域，抑制剪切带的快速传播，防止灾难性失效。

研究表明，由于元晶界对主导剪切带的显著缩短和阻碍作用，点阵结构材料的强度和稳定性可以显著提高。此外，先前的研究清楚地表明，亚晶的屈服强度随着亚晶晶粒尺寸的减小而增加，这与在多晶金属中发现的著名的Hall-Petch关系相似。虽然通过降低超细晶粒尺寸的强化效果已经被清楚地提出，但是所观察到的强化的关键机制还没有被讨论。而深入了解这种机制，对于控制和规划元晶体的强度和局部空间变形至关重要。为了揭示其内在机制，有必要研究剪切带的活动以及剪切带与超颗粒边界之间的相互作用。

剪切带的研究，也有助于更好地理解晶格材料的各向异性，并回答前两个关键的问题：为什么剪切带在参考文献中报道的<101>{002}体系中形成？是否有其他系统在活动？此外，对元晶边界与剪切带相互作用的研究有助于回答其他关键问题：元晶边界如何能够阻止剪切带？与多晶的晶界强化相似，晶界的特性，如相干性，也会影响停止效应。对其潜在机制的理解和问题的回答，将为设计师提供更多的信心和坚实的基础，以充分利用元晶方法开发轻质和高性能的可控制性能的点阵结构材料。

此文中，研究者分析了剪切带形成的机制，并在面心立方晶格结构中识别出主动剪切带体系。通过屈曲分析揭示了剪切带形成的原因，解释和预测了FCC元晶体的剪切活动。多晶类元晶的边界强化与剪切带与多晶类晶界的相互作用有关。更重要的是，边界类型和相干性被发现是有影响的，因为它们决定了剪切带跨越元晶边界的传输。随后，研究者设计并测试了含有1~64个亚晶粒的模拟多晶的元晶，以研究剪切带传播和与亚晶边界的相互作用。在此，研究者揭示并讨论了亚晶界及其相干性对剪切活动、屈服强度和硬化的作用。

图1 单取向FCC启发的元晶实验结果。

图2 理论和有限元分析。

图3 单晶与双-元-晶的比较。

图4 不同元晶数目晶格的力学性能。

图5 类-多晶-元-晶的模型演示和变形行为。

图6 将硬化效应与边界相干性和类型联系起来。

考虑到晶格材料的高各向异性，增加不同晶体取向的畴，即类多晶-元-晶的数量，不仅可以提高结构晶格材料的强度和能量吸收，而且可以最大限度地减小结构晶格材料的各向异性。这种最小的各向异性，可以提高材料在多轴和复杂加载路径下的性能。