近日，空天科學與工程學院黃崇湘教授團隊與美國北卡羅萊納州立大學朱運田教授、中科院力學所武曉雷研究員團隊合作在異構金屬材料塑性變形和強韌化機理方麵取得重要研究進展，相關成果“Dense dispersed shear bands in gradient-structured Ni”和“Extra strengthening in a coarse/ultrafine grained laminate: Role of gradient interfaces”連續刊登於國際頂級力學期刊International Journal of Plasticity (2018年IF=5.8)。四川大學空天學院2016級博士生王豔飛為論文第一作者，黃崇湘教授和朱運田教授為論文通訊作者。

　　微觀異構調控是近年來興起的一種金屬材料設計理念。該設計理念在宏觀-微觀不同尺度調控成分單元之間的力學不相容性，以促進荷載條件下成分單元之間的交互約束作用，從而能夠同時激發異質單元的力學性能，使材料整體表現出高強韌性能。近5年內，部分學術工作發現異質材料具有優於基於混合法則預測的性能，並由此提出兩個關鍵基礎共性問題：(i) 異構材料是否確能產生額外強韌化效應，該效應的物理機製是什麼?(ii) 異構材料中的高強度單元如何實現大塑性變形?

　　針對第一個關鍵共性問題，該團隊設計隻有3個成分單元層的模型材料，采用高精度數字散斑技術(DIC)和透射電子顯微技術(TEM)聚焦單元層界麵的應變和位錯行為，從而揭示額外強韌化的機理。研究結果顯示：異構材料確有非常大的額外強化效應，且該效應起源於力學不相容單元之間協同約束造成的界麵處應變梯度累積和幾何必要位錯塞積。

圖1. 層狀材料中由於界麵應變梯度累積和位錯塞積造成的額外強化效應

　　針對第二個關鍵共性問題，該團隊以納米晶-粗晶梯度結構設計的材料為模型，使用微尺度DIC技術對梯度材料在塑性變形過程中的應變分布和演化進行表征。研究結果發現：由於粗晶單元層的協同約束作用，高強度的納米晶層能夠以高密度的彌散剪切帶方式實現優異的均勻大塑性延伸。通過對剪切帶的萌生和應變容納機製的分析，首次提出了異構單元交互約束促進彌散剪切帶形成且保持塑性穩定的理論模型。此外，彌散剪切帶形成於納米晶材料是一個全新的發現，該發現為克服納米晶延伸率低的問題提供了一種新思路。

圖2. 納米晶-粗晶梯度材料通過彌散剪切帶變形方式實現大塑性延伸率

　　以上研究得到了國家重點研究計劃(2017YFA0204403)、國家自然科學基金重點項目(51931003)和麵上項目(11672195、51741106)的資助。

　　作者介紹：

　　王豔飛，空天科學與工程學院2016級博士研究生，主要從事先進異構材料開發及其強韌化機理研究。目前共發表SCI論文13篇，其中以第一作者在Materials Today、International Journa l of Plasticity國際頂級力學、材料等期刊發表10篇，論文他引100餘次。已獲授權發明專利3項，公開發明專利2項。曾獲博士研究生國家獎學金、唐立新獎學金、四川大學優秀學術之星等榮譽。

　　黃崇湘，空天科學與工程學院教授、博導，主要從事航空、醫療植入體領域先進結構材料的設計開發、(極端環境)使役行為和強韌化機理研究。在Materials Today、Acta Materialia等國際期刊上發表SCI論文70多篇，他引2000多次。主持國家自然科學基金、新世紀優秀人才計劃、中國航天科技專項，主研參與國家重大科研儀器設備研製專項、教育部創新團隊等。