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重大项目“金属材料强韧化的多尺度结构设计与制备”通过结题验收

作者:郑雁军   发表时间:2013-05-24   来源:工程与材料科学部

  国家自然科学基金委员会工程与材料科学部5月10日在沈阳召开了重大项目“金属材料强韧化的多尺度设计与制备”结题验收会议。来自清华大学、西安交通大学、大连理工大学、吉林大学、北京科技大学、中国科学院力学研究所、西安工业大学、华南理工大学、中国科学院固体物理研究所的9位专家组成的结题验收专家组认真听取了项目和课题负责人的汇报并进行了深入的讨论后,认为该项目在金属材料的多尺度结构设计与制备、微观结构表征、强韧化机制与断裂规律以及计算与模拟等方面取得了很好的创新性成果,结题评价为特别优秀,一致同意项目通过结题验收。

  该项目由中国科学院金属研究所张哲峰研究员主持,中科院金属所卢磊研究员、重庆大学刘庆教授、中科院金属所张哲峰研究员和浙江大学黄志龙教授分别作为四个课题课题负责人共同承担了该重大项目。经过四年的工作,该项目主要取得如下重要研究成果:(1)针对传统强化机制导致强度-韧性“倒置”关系这一结构材料领域所面临的重大科学难题,提出能够综合改善材料强韧性能的三个关键微结构特征,即界面具有晶体学共格关系,具有良好热稳定性和机械稳定性,以及结构特征尺寸在纳米量级(<100nm);(2)当纳米孪晶片层厚度减小到某一临界值时,纳米孪晶材料出现极值强度并表现出高的加工硬化行为,并表现出良好的断裂韧性;孪晶界面具有优异的抗疲劳裂纹萌生与扩展能力;纳米孪晶结构独特的变形与断裂机理为金属材料的强韧化设计提供了重要的实验证据;(3)利用表面机械碾压处理(SMGT)技术在纯铜棒材样品表面成功制备出梯度纳米结构,该梯度纳米结构材料具有高拉伸屈服强度和优异的塑性变形能力,这种优异的塑性变形能力源于梯度纳米结构独特的晶界迁移变形机制;(3)在对不同层错能的面心立方金属研究中,发现了其塑性变形机制由波状滑移、平面滑移向形变孪生转变的现象,提出由逐渐增强的孪生效应所引发的孪生诱发强化和形变均匀化两种机制,发现随层错能降低,材料的强度与延伸率同步提高,由此导致其高周、低周与超低周疲劳性能也同步提高;(4)在具有FCC/FCC异质界面的纳米层状金属材料中,提出了切应力诱导纳米层状材料塑性变形能力再生的物理机制,在此基础上提出了微观结构层状化的材料设计理念;同时,通过“同材结构层状化”和“颈缩延迟”两种韧化机制,分别在同种和异种层状复合材料中实现了强度与塑性及疲劳性能的提高;(5)开发设计了多尺度、多层次金属材料的制备技术与工艺,在材料微观结构表征、变形与断裂及计算模拟等方面提出了新的方法、机制与模型,将上述多种强韧化方法与机制分别应用到典型金属结构材料(钢铁、镁合金、铝合金等)中,实现了材料强韧性匹配与疲劳性能提高的目的。

  该项目发表SCI论文240篇,包括Science论文3篇、Nature论文1篇,Prog. Mater. Sci.PNASPhys. Rev. Lett.、Sci. Reports各1篇,Acta Mater.论文40篇、Scripta Mater.论文55篇,被SCI论文总引用1800余次。部分研究成果被评为2009年中国基础研究十大新闻和2011年中国科学研究十大进展,获2009年辽宁省自然科学一等奖;在国际学术会议上做邀请报告50余人次,培养博士研究生50余名,硕士研究生50余名,多名研究生获中国科学院、高校或国家奖学金。

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