[论文解读] Revealing the origins of shear band activity and boundary strengthening in polygrain-like architected materials

Chen Liu, Jedsada Lertthanasarn+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2020

Cellular and Composite Structures参考文献 28被引用 4

一句话总结

本研究揭示，多晶型仿生材料中的剪切带活动与界面强化效应源于单晶型元晶中的杆件屈曲及其在晶界处的剪切带传递。研究发现，界面类型与共格性主导强化效果，为设计具有可控形变路径的高强、抗损伤元晶提供了机理基础。

ABSTRACT

A recent report on successful employment of the grain boundary strengthening to design extraordinarily damage-tolerant architected materials (i.e. meta-crystals) necessitates fundamental studies to understand the underlying mechanisms responsible for the toughening and high performance of meta-crystals. Such understanding will enable greater confidence and control in developing high performing and smart architected materials. In this study, buckling of lattice struts in single crystal-like meta-crystals was firstly analysed to reveal its role in shear band activities. Shear band systems of singly oriented meta-crystals were also identified to provide a solid basis for predicting and controlling the shearing behaviour in polygrain-like meta-crystals. The boundary-induced strengthening effects in meta-crystals was found to relate to the boundary type and coherency as they govern the transmission of shear bands across meta-grain boundaries. The obtained insights in this study provide crucial knowledge in developing high strength architected materials with great capacity in controlling the mechanical strength and damage path.

研究动机与目标

• 理解元晶中晶界强化的内在机理。
• 研究杆件屈曲在单晶型元晶中引发剪切带活动的作用机制。
• 识别单向取向元晶中的剪切带系，以实现在多晶型结构中的预测性控制。
• 确定界面类型与共格性如何影响剪切带在晶界处的传递及强化效应。
• 为设计具有可控形变路径的高强、抗损伤仿生材料提供设计原则。

提出的方法

• 通过解析与计算建模分析单晶型元晶中杆件屈曲，评估其对剪切带形核的贡献。
• 利用力学响应分析识别并表征均匀取向元晶中的剪切带系。
• 系统研究不同界面类型与共格性下剪切带在元晶界处的传递行为。
• 通过显微结构分析关联界面特征与力学性能及能量耗散的关系。
• 构建一个将局部形变机制与多晶型仿生材料宏观强化效应相联系的机理框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 单晶型元晶中的杆件屈曲如何引发并影响剪切带活动？
• RQ2 单向取向元晶中的主导剪切带系是什么？它们如何指导多晶型体系中的行为？
• RQ3 界面类型与共格性如何影响剪切带在元晶界处的传递？
• RQ4 元晶中界面诱导强化的机理根源是什么？
• RQ5 如何控制剪切带传递与晶界相互作用，以提升材料强度与抗损伤能力？

主要发现

• 单晶型元晶中的杆件屈曲是剪切带形核与活动的主要驱动力。
• 均匀取向元晶中的剪切带系可被识别，并可作为预测多晶型结构中剪切行为的基础。
• 界面诱导强化强烈受晶界类型与共格性的影响。
• 共格界面促进更有效的剪切带传递，从而增强能量耗散与承载能力。
• 非共格或取向错配的界面会阻碍剪切带传递，导致局部应力集中并可能引发失效。
• 研究结果建立了一个面向工程应用的设计框架，可通过调控晶界结构实现高强、抗损伤仿生材料的构建。