近日，西南交通大学力学与航空航天学院张旭教授团队在异构材料强韧性行为的本构建模研究领域取得进展，相关成果以《Strengthening and toughening mechanisms in heterostructured laminates revealed by a phase field-enhanced crystal plasticity simulation》为题发表在固体力学旗舰期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》。西南交通大学力学与航空航天学院博士研究生熊宇凯为论文第一作者，西南交通大学教授张旭、副研究员赵建锋以及德国埃尔朗根-纽伦堡大学Michael Zaiser教授为论文共同通讯作者，论文合作作者还包括西南交通大学教授刘金铃和浙江大学教授王杰。
异质结构材料展现出卓越的力学性能，能够在承受大变形时兼具高强度与优异的抗断裂能力，从而实现强韧性协同。异质变形诱发硬化和应变去局部化是主导此类材料力学响应的核心机制。然而，现有的理论与数值模型在全面刻画上述复杂的微观力学交互机制方面仍有待进一步完善。
为此，本研究发展了应变梯度晶体塑性与断裂相场的耦合模型，以探究层状异质材料的变形与断裂机制。该框架引入基于傅里叶变换的谱方法，并采用高频滤波器引入谱正则化，有效解决了应变梯度模型的网格敏感性问题。在此基础上，模型表征了由异质界面诱导的背应力强化效应，并建立了韧性断裂相场模型，以精确捕捉由位错缺陷能驱动的裂纹萌生与扩展行为。
通过系统性的理论模拟与实验对比，本研究阐明了微观结构非均匀性、应变梯度效应与裂纹扩展之间的交互机制。研究表明，材料强度的提升主要源于应变梯度驱动的几何必需位错在界面处的局域化累积，以及由此产生的非均匀背应力强化。在断裂行为方面，研究揭示了裂纹优先在异质界面萌生、倾向于沿细晶区扩展，并最终在粗晶区被钝化止裂的交替断裂演化规律。这种特殊机制有效维持了材料在裂纹萌生后的承载能力，提升了大变形下的强韧性协同。此外，研究还确立了微观几何尺寸的优化准则：在保持体积分数恒定时，适当减小粗晶层厚度与间距能提升止裂能力，但过度减薄则易导致微裂纹直接贯穿。该研究为异质层状结构的强韧化设计提供了理论基础。
该研究得到了国家自然科学基金项目（Nos.: 12222209, 12572082, 12202423, 12192214, 52192591）和四川省科技计划项目（Nos.: 2024NSFCJQ0068, 2025HJRC0006）的支持。此外，德国科学基金会（DFG, Grant no. 1Za 171/13-1）、中德科学中心（No. M-0511）以及洪堡基金会也为本研究提供了支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2026.106746
