近日，蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和材料科學(xué)與工程學(xué)院趙燕春教授與田納西大學(xué)高雁飛教授及香港城市大學(xué)朱運(yùn)田教授合作在異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的最新研究成果以題為“What are the “dispersive shear bands” on the surfaces of layered heterostructured materials?”在固體力學(xué)頂級(jí)期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》在線發(fā)表。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105467

作為材料科學(xué)的前沿研究，異質(zhì)形變誘導(dǎo)（HDI）強(qiáng)化被認(rèn)為是克服材料強(qiáng)度與塑性權(quán)衡關(guān)系的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。然而，無(wú)論是雙峰結(jié)構(gòu)（Bi-modal）的內(nèi)部還是層狀或梯度材料的表層，其強(qiáng)韌化機(jī)制往往會(huì)伴隨著“剪切帶”或應(yīng)變集中帶，這種所謂的“剪切帶”并非是由于材料本構(gòu)失穩(wěn)造成的，而是由幾何原因所引起的，它們其實(shí)是中短波頸縮。

本工作從兩方面入手，一方面，幾何必要位錯(cuò)形成的正向應(yīng)力和背應(yīng)力均是處于微觀尺度的，但絕大多數(shù)的失效是由于缺乏起源和排布機(jī)制的宏觀尺度“剪切帶”所導(dǎo)致的。另一方面，由DIC實(shí)驗(yàn)得到的“剪切帶”形貌和數(shù)量具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和不確定性，且主要取決于試樣的截面比。因此，采用3D有限元模擬定量研究了軟硬層的異質(zhì)強(qiáng)化和表面擾動(dòng)機(jī)制的協(xié)同效應(yīng)。表面擾動(dòng)的幾何因素（如波長(zhǎng)、初始振幅和相位差等）是決定“剪切帶”三種排列類型的關(guān)鍵因素，包括I、X以及W型。此外，傾斜角度和波長(zhǎng)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的自選擇行為。即使在不考慮幾何必要位錯(cuò)（GND）和異質(zhì)形變誘導(dǎo)（HDI）強(qiáng)化機(jī)制的情況下，層狀異質(zhì)材料表面“剪切帶”的形成原因也可由連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和表面擾動(dòng)解釋。

【作者簡(jiǎn)介】

馬虎文，蘭州理工大學(xué)博士生。研究方向?yàn)橄冗M(jìn)結(jié)構(gòu)材料的變形機(jī)制及功能結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)理。

趙燕春，蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閬喎€(wěn)態(tài)金屬材料及及增材制造、異質(zhì)金屬材料功能結(jié)構(gòu)一體化調(diào)控機(jī)理。

高雁飛，美國(guó)田納西大學(xué)材料科學(xué)及工程系教授。研究方向?yàn)楣腆w力學(xué)、先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的變形和破壞機(jī)制、固態(tài)增材制造。

朱運(yùn)田：香港城市大學(xué)講座教授，歐洲科學(xué)院院士。是異構(gòu)材料領(lǐng)域的發(fā)起人之一，長(zhǎng)期以來(lái)從事納米結(jié)構(gòu)材料的研究，探索了納米金屬材料的組織性能控制和變形機(jī)理。

【致謝】

本研究得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金、甘肅省重點(diǎn)研發(fā)及計(jì)劃、浙江省自然科學(xué)基金、蘭州理工大學(xué)紅柳青年基金的資助。同時(shí)本研究獲得了蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院及田納西大學(xué)材料科學(xué)及工程系的大力支持，在此一并表示感謝。