高强度金属材料的形变与破坏机理

In this project, the deformation and fracture mechanisms of high-strength metallic materials (metallic glasses; ultrafined-grained or nanocrystalline materials) will be revealed. The materials systems will include Zr- and Ti-based bulk metallic glasses (BMGs), ultrafined-grained or nanocrstalline pure Cu and Cu-Al alloys, 316L stainless steel and Fe-Mn TWIP steel. The main scientific problems include: 1) to reveal the effects of shear bands on the deformation and fracture of metallic glasses and ultrafine-grained or nanocrystalline materials to estabalish the critical fracture criterion of the those materials. 2) To explore the trade-off relation between strength and ductility of the high-strength materials, further to design or develop adavanced strcutural materials. 3) To investigate the quantatitative relationship between fatigue strength ad tensile strength for further improving the fatigue strength of the high-strength materials in the future. Therefore, on the one hand, the initiation, propagation and critical instability of shear banding will be analyzed for the purpose of proposing suitable mechanics models. Based on the understanding on the deformation and fracture mechanisms of UFG, NC and BMG materials above, it is aimed to further develop or propose new fracture criterion for the high-strength materails in terms of the shear banding mechanisms, which will be beneficial to the optimum strategies of mechanical properties in the future. On the other hand, the effects of stacking fault energy, grain size, stress state and strain rate on the mechanial propreties will be invetaigated for better exploring the strengthening and toughening mechanisms of metallic materials. Furthermore, the optimized stratagy of high-preformace metallic materials will be proposed or developed in the future.

本项目主要研究典型高强度金属材料如非晶合金材料、超细晶/纳米晶材料变形与破坏机理，包括Zr和Ti基非晶合金材料及大尺寸超细晶与纳米晶铜铝合金、316L不锈钢及Fe-Mn系TWIP钢。主要研究内容包括：1）揭示剪切带对上述材料变形与断裂的作用，建立其临界失稳条件与判据；2）研究上述材料强度与韧/塑性之间的倒置关系，设计或发展高性能金属结构材料；3）研究疲劳强度与拉伸强度之间的定量关系，进而提高高强度金属材料的疲劳强度。一方面，基于各类高强度金属材料中的微观缺陷演化、剪切带与裂纹萌生、发展与失稳过程总结力学模型，提出或发展适用于各种高强度材料的破坏准则与规律，为建立高强度材料变形与破坏机理的理论基础做出贡献；另一方面，研究层错能、晶粒尺寸、应力状态与应变速率等对其力学性能的影响，进一步深入探索高强度材料的优化设计思想，为设计具有高强度可靠性使役性能的金属材料提供实验证据与理论基础。

本重点基金项目主要开展典型的高强度材料的形变损伤与破坏机理，以典型高强度金属材料作为研究对象，包括金属超细晶/纳米晶与非晶合金材料，以及高强钢和铝合金等，分别开展了拉伸、压缩、应变与应力控制疲劳实验、冲击与断裂韧性实验，结合宏观力学性能与微观损伤断裂机理之间的关系，在几个方面取得了重要研究进展，包括：1）系统地揭示了层错能对面心立方金属及合金塑性变形机制、位错演化规律、损伤开裂机制、强度与韧性匹配，疲劳强度优化的影响规律；2）提出了金属材料低周疲劳损伤与寿命预测的滞回能模型，疲劳强度与拉伸强度关系的抛物线方程以及疲劳强度预测的定量方程，建立了高强度材料强度、冲击韧性与断裂韧性之间的定量模型，建立了疲劳裂纹扩展速率与拉伸强度、断裂韧性之间的定量模型；3）提出了适用于不同应力状态条件下的高强度材料普适性断裂准则，基于剪切与解理断裂之间的竞争关系，提出了高强度材料失效的线性能量准则，推导出以主应力表达的普适性失效准则方程，进而实现了非晶合金从成分到弹性及强度、韧性与失效方式的定量预测；4）开展了自然生物体（如贝壳、熊猫牙齿、孔雀羽毛、穿山甲鳞片等）微观损伤开裂机制与宏观力学性能研究，以仿生力学原理为思想设计和制备出高强/高韧仿生复合材料。培养博士毕业生15名，硕士毕业生5名，3名博士生获德国洪堡奖学金，1名研究生获日本学术振兴会奖学金。发表SCI论文100余篇，包括Prog. Mater. Sci: (2)、Nature Comm: (1)、Phys. Rev. B: (1)、Acta Mater: (17)、Acta Biomater: (4)、Scripta Mater: (14)等刊物论文，被SCI论文引用1200余次，申请专利10余项。项目负责人2014-2018年连续5年入选爱思维尔中国高被引学者名单，并入选获科技部和中组部“中青年科技创新领军人才”称号，研究团队入选2018年辽宁省“兴辽计划”创新团队。