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科学研究
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空天学院黄崇湘教授团队在国际顶级期刊Materials Today上发表论文——在金属材料界面力学行为方面取得重要进展

时间:2018-05-06  来源:空天学院   作者: 

  近日,我校空天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、布朗大学高华健教授等团队合作在金属材料界面力学行为方面取得重要进展,相关成果“Interface Affected Zone for Optimal Strength and Ductility in Heterogeneous Laminate”在线发表于材料领域国际顶级期刊Materials Today上(2017年影响因子21.695)。空天学院黄崇湘教授和2016博士研究生王艳飞为论文共同第一作者,黄崇湘教授、武晓雷研究员、朱运田教授和高华健教授为论文共同通讯作者,四川大学空天科学与工程学院为该研究第一单位。

  金属材料的界面(晶界、孪晶界、相界等)对强韧性能具有关键影响作用,利用界面来优化金属材料强韧性能的文明已有两千年历史。早在公元2世纪,中国祖先在制造兵器的过程中就通过多重锻造的方式在钢铁中引入高密度界面以提高刀剑的强韧性。从公元5世纪以来,西方人利用大马士革钢锻造的刀剑就具有片层状微观结构和高密度的界面。但是,材料界面在变形过程中的影响范围及其强韧化机理一直未得到深入理解。

  研究团队通过累积叠轧和临界条件退火工艺,设计、制备了具有明显力学差异的纳米晶/微米晶层状金属材料,并利用自主开发的超高空间分辨率数字散斑相关技术(已申请两项发明专利),原位表征了界面区域在加载过程中的应变分布和演化。研究发现,在跨界面约10-12 mm区域内形成了显著的应变梯度,该区域宽度在加载过程中保持不变,但应变梯度值逐渐增强。基于应变梯度的形成机理,即几何必要位错的有序塞积,研究人员定义了界面影响区。

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图1. 具有明显力学差异的微/纳米叠层金属材料

  同时,基于界面发射位错模型,研究人员将该界面影响区尺寸与经典应变梯度塑性理论中的材料本征长度l相对应起来。材料本征长度l是由Fleck等人于1993年在构建应变梯度本构模型过程中提出的,是其后应变梯度塑性理论发展的基础参数。在过去25年的研究中,该参数始终未得到实验验证,并缺乏具体的物理内涵。该研究成果表明,可以将材料本征长度l理解为材料协同变形下的界面影响区或者几何必要位错有效塞积区,从而赋予了材料本征长度l与塑性变形机理相关的物理意义。实验还同时验证,当界面之间的间距正好与界面影响区尺寸(材料本征长度)相当时,材料具有最优的强度-塑性综合力学性能。

  该研究成果所揭示的界面影响区尺寸及相应力学响应机制,不仅对高强韧性结构材料设计和工业制造有深远的指导意义,也为由应变梯度主导的材料强韧化机理、理论本构模型提供了新的研究思路。

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  该项研究得到了国家重点研究计划(2017YFA0204402、2017YFA0204403)和国家自然科学基金(11672195、11572328)等资助。

  原文链接:https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.03.006

 

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