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川大黄崇湘教授成果在国际顶级力学期刊连续发表
2019-10-11 08:43:00
空天科学与工程学院
作者:

  近日,空天科学与工程学院黄崇湘教授团队与美国北卡罗莱纳州立大学朱运田教授、中科院力学所武晓雷研究员团队合作在异构金属材料塑性变形和强韧化机理方面取得重要研究进展,相关成果“Dense dispersed shear bands in gradient-structured Ni”和“Extra strengthening in a coarse/ultrafine grained laminate: Role of gradient interfaces”连续刊登于国际顶级力学期刊International Journal of Plasticity (2018年IF=5.8)。四川大学空天学院2016级博士生王艳飞为论文第一作者,黄崇湘教授和朱运田教授为论文通讯作者。

  微观异构调控是近年来兴起的一种金属材料设计理念。该设计理念在宏观-微观不同尺度调控成分单元之间的力学不相容性,以促进荷载条件下成分单元之间的交互约束作用,从而能够同时激发异质单元的力学性能,使材料整体表现出高强韧性能。近5年内,部分学术工作发现异质材料具有优于基于混合法则预测的性能,并由此提出两个关键基础共性问题:(i) 异构材料是否确能产生额外强韧化效应,该效应的物理机制是什么?(ii) 异构材料中的高强度单元如何实现大塑性变形?

  针对第一个关键共性问题,该团队设计只有3个成分单元层的模型材料,采用高精度数字散斑技术(DIC)和透射电子显微技术(TEM)聚焦单元层界面的应变和位错行为,从而揭示额外强韧化的机理。研究结果显示:异构材料确有非常大的额外强化效应,且该效应起源于力学不相容单元之间协同约束造成的界面处应变梯度累积和几何必要位错塞积。

图1. 层状材料中由于界面应变梯度累积和位错塞积造成的额外强化效应

  针对第二个关键共性问题,该团队以纳米晶-粗晶梯度结构设计的材料为模型,使用微尺度DIC技术对梯度材料在塑性变形过程中的应变分布和演化进行表征。研究结果发现:由于粗晶单元层的协同约束作用,高强度的纳米晶层能够以高密度的弥散剪切带方式实现优异的均匀大塑性延伸。通过对剪切带的萌生和应变容纳机制的分析,首次提出了异构单元交互约束促进弥散剪切带形成且保持塑性稳定的理论模型。此外,弥散剪切带形成于纳米晶材料是一个全新的发现,该发现为克服纳米晶延伸率低的问题提供了一种新思路。

图2. 纳米晶-粗晶梯度材料通过弥散剪切带变形方式实现大塑性延伸率

  以上研究得到了国家重点研究计划(2017YFA0204403)、国家自然科学基金重点项目(51931003)和面上项目(11672195、51741106)的资助。

  作者介绍:

  王艳飞,空天科学与工程学院2016级博士研究生,主要从事先进异构材料开发及其强韧化机理研究。目前共发表SCI论文13篇,其中以第一作者在Materials Today、International Journa l of Plasticity国际顶级力学、材料等期刊发表10篇,论文他引100余次。已获授权发明专利3项,公开发明专利2项。曾获博士研究生国家奖学金、唐立新奖学金、四川大学优秀学术之星等荣誉。

  黄崇湘,空天科学与工程学院教授、博导,主要从事航空、医疗植入体领域先进结构材料的设计开发、(极端环境)使役行为和强韧化机理研究。在Materials Today、Acta Materialia等国际期刊上发表SCI论文70多篇,他引2000多次。主持国家自然科学基金、新世纪优秀人才计划、中国航天科技专项,主研参与国家重大科研仪器设备研制专项、教育部创新团队等。

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