梯度纳米结构金属强韧性能及塑性变形机理研究

Recently, gradient nanostructured metals have been extensively studied by researchers from solid mechanics and structural materials science due to their substantially enhanced mechanical properties compared with those of traditional gradient-free metals. The gradient nanostructured metals exhibit spatial gradient distribution of both characteristic length scales and deformation mechanisms. The multiscale correlation and confinement between the deformation of the individual components along the gradient direction remain largely unknown. The transformative goal of this project is to elucidate the role of grain/twin gradients in the mechanical properties, the interplays between lattice defects, and the initiation/propagation of cracks in gradient nanostructured metals by taking advantage of molecular dynamics simulations and theoretical modeling. Specifically, we plan to construct computational and theoretical models of gradient nanostructured metals based on experimental observations, capture the controlling deformation mechanisms, establish the “structural gradient - mechanical property” relationship, and guide further research in high “strength-ductility” gradient nanostructured metals.

近年来，梯度纳米结构金属因其优越的力学性能成为力学和结构材料等学科的研究热点之一。梯度纳米结构的特征尺寸在空间呈梯度分布，各组成单元具有截然不同的力学行为，其变形又互相约束，存在密切关联，亟需深入探索变形在梯度纳米结构内部的跨尺度传递和协调规律。本项目拟采用分子动力学模拟方法和力学理论分析，基于实验观测构筑梯度纳米结构计算和理论模型，研究晶粒梯度和孪晶梯度对纳米结构金属的力学性能、界面和位错等主要晶体缺陷交互作用、以及裂纹萌生和扩展规律的影响，揭示主导和制约梯度纳米结构金属力学性能的塑性变形机理，建立反映梯度纳米结构金属力学特性的“梯度结构-力学性能”关系，为发展高强高韧梯度纳米结构金属提供设计思路和方案。

在本项目（项目号：11902289）的直接资助下，项目负责人周昊飞及课题组围绕梯度纳米结构金属和合金的强度、韧性等关键力学性能，及其界面和位错等核心微观塑性变形机制开展理论建模、数值模拟和实验观测工作。2020年至2022年，已在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》、《Nature Communications》、《Science Advances》、《Materials and Design》等期刊上发表SCI论文6篇（均已标注本项目资助）。项目期间在包括中国力学大会2021+1和第二届全国物理力学青年学者学术研讨会等国内外学术会议做邀请报告6次。组织中国力学大会2021+1金属/合金材料的力学行为专题研讨会。对照项目申请书的预期研究成果，项目完成情况如下：.1. 通过对晶界、孪晶界、位错和裂纹等主要晶体缺陷组态之间的交互作用的理论与模拟研究，揭示制约梯度纳米结构金属强度、塑性和断裂韧性的微观变形机理。.已完成，详见研究工作主要进展。.2. 建立梯度纳米结构金属的“梯度-性能”关系，为梯度纳米结构的优化设计提供思路。.已完成，详见研究工作主要进展。.3. 发表SCI论文4-5篇。.已完成，详见研究成果目录。.4. 结合本项目，培养研究生2-3名。.已完成，详见人才培养情况。