考虑离散与连续关联的跨尺度方法及对先进材料变形机理的表征

Since the mechanical behavior of the advanced materials is close related with its micro-/ nano-structures, it displays a strong size effect. In order to characterize the size effect, trans-scale mechanics theories and methods are needed, so as to realize the understanding of the deformation and failure mechanisms of advanced materials in deep level, and to guide the material design and property judgment. In this project, we try to characterize the deformation mechanism of the advanced materials through building a trans-scale mechanics method considering linkage of discrete with continuum. Then we shall use the trans-scale mechanics method to describe some typical mechanics problems of advanced materials, and carry out a comparison analysis combining the corresponding fine experimental measurements, so as to obtain the testifying of effectiveness of the built trans-scale mechanics method. It is different with conventional multi-scale methods that in this project, the discrete method mainly adopted is the molecular statistics thermodynamics method, while continuum theory adopted is the scale theory considering both strain gradient effects and the surface/interface effects. At the interface between discrete and continuum regions, the "ghost force" will be eliminated through using the coupled law method. The fine experimental measurements in this project include the nanoindentation experiments for single crystal metals, uni- axial tensile and compressive experiments on the small samples of nanocrystalline metals, failure experiments of the nano-particle ceramic coating / Ni matrix system under thermal shock.

先进材料的力学行为与其微/纳米结构特征密切相关，其力学行为表现出强烈的尺度效应。采用跨尺度力学理论和方法来表征这种尺度效应，能在更深层次上实现对先进材料变形及破坏机理的认识，从而指导先进材料的设计和性能的评判。本项目试图通过建立考虑离散与连续关联的跨尺度力学方法，来表征先进材料的变形机理。然后将建立的跨尺度力学方法应用于刻划先进材料的若干典型力学问题，并与对应的精细实验测量结果进行比对分析，以获得对所建立的跨尺度力学方法有效性的实验验证。与以往的多尺度方法不同的是，本项目的离散方法主要采用分子统计热力学方法，连续方法采用同时考虑应变梯度和表/界面效应的尺度理论，在离散与连续的连接界面处采用混合律法以消除“鬼力”。本项目的精细实验测量主要包括：单晶金属的纳米压入实验；纳米晶金属小试样的单向拉、压实验；纳米颗粒陶瓷涂层/镍基合金体系的热震失效实验。

该项目圆满完成了计划任务，取得了如下重要成果：（1）提出了微观离散理论体系与宏观连续介质跨尺度理论的关联方法。从分子动力学模拟、分子/集团统计热力学理论模拟以及柯西-伯恩法则计算出发，通过与跨尺度力学理论（协同考虑应变梯度效应和表界面效应）进行关联，确定出典型金属和陶瓷材料的特征尺度和表/界面能密度参量；进一步确定出“自下而上”理论与“自上而下”理论的关联区域对典型金属材料来说为4纳米至10纳米之间，在该区域内在能量等效和强度等效意义下消除了关联界面的“鬼力”。（2）通过完善分子/集团统计热力学方法及相应的算法，针对纳米硬度尺度效应的精细实验测量问题，在国际上首次实现了离散模拟与实验测量的跨尺度关联。 进一步完善了分子集团统计热力学方法及相应的算法，针对纳米硬度尺度效应的实验测量结果，采用优化、千核并行、2.4亿原子(天河II)的超大规模模拟并考虑压头曲率半径效应，实现了微观离散模拟与精细实验测量结果的跨尺度关联，从根本上揭示出纳米尺度压痕硬度测量结果尺寸效应的机理。（3）将跨尺度力学理论成功地应用于指导高温发动机叶片先进热障涂层的强韧机制设计以及应用于表征先进复合材料的強界面机制。 把协同考虑应变梯度效应和表界面效应的跨尺度力学理论成功地应用于发动机叶片先进热障涂层的强韧机制的设计及失效机制的表征，获得了先进热障涂层/镍基超合金体系在不同工况下的损伤及损伤敏感度的变化规律，为进一步提高先进热障涂层体系的力学行为建立了坚实基础；此外，将跨尺度力学理论成功地应用于指导新型微纳米复合材料的跨尺度力学行为测量。.在项目五年的执行阶段开展了广泛的国内外、交叉学科间的合作和交流；共发表SCI期刊论文55篇，其中包括力学及其相关交叉学科的国际顶尖及核心期刊；在人才培养方面：项目负责人当选中国科学院院士，5位年轻项目成员晋升为研究员和副研究员，培养博士后、博士生及硕士生25人。