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重磅!沈阳金属所卢磊研究员发表Nature:不怕累的孪晶铜

重磅!沈阳金属所卢磊研究员发表Nature:不怕累的孪晶铜

——前言——

    当地时间10月30日,Nature官网在线刊登了沈阳金属所卢磊研究员与美国布朗大学高华健教授合作发表的论文,论文题目为:History-independent cyclic response of  nanotwinned metals, DOI:10.1038/nature24266. 论文共同第一作者为:Qingsong Pan和Haofei Zhou,共同通讯作者为:卢磊研究员和高华健教授。下面我们对文章内容进行简单介绍。

重磅!沈阳金属所卢磊研究员发表Nature:不怕累的孪晶铜


——本文亮点——


    近90%左右的金属材料和零构件的失效是由金属的疲劳破坏所造成的(循环应力幅度小于材料的抗张强度)。金属在循环的形变过程中,其微观结构会产生大量累积的损伤,从而造成不稳定的和具有历史依耐性的循环响应。现有的预测金属疲劳寿命的理论,如线性累积损伤理论,并不能很好地解释载荷历史的作用;而工程构件(如机翼在湍流空气中)则通常需要荷载各种不同强度,不同频率的循环应力。因此,在真实的加载条件下预测金属的循环特性和疲劳寿命极具挑战性。本文在应力幅值小于材料抗张强度的条件下进行原子模拟技术和变幅循环加载实验,发现了一种不依赖加载历史的具有稳定循环特性的块体铜样品,这种样品中含有高度有序的纳米孪晶。作者指出这种超常的循环稳定特性由一种相互关联的“项链型”位错所决定的,这种项链型的位错由多个邻近孪晶之间的小位错链接而成。这种位错是高度有序的孪晶结构在循环加载条件下形成的,它能够维持孪晶界的稳定性以及金属微观结构受到的损伤可逆。这种循环形变机理与传统的应变局部化机制(通常对单晶或粗粒度/超细粒度/纳米粒度金属造成不可逆的微结构损伤)。


注:另外10%左右的失效来自于静力破坏,即循环应力幅度大于材料的抗张强度造成材料断裂。应力幅值、平均应力大小和循环次数是影响金属疲劳的三个主要因素。


——图文快解——

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图1. 循环测试前后Cu样品的微结构



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图2. Cu样品不依赖于加载历史的循环加载测试

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图3. Cu样品的循环形变特征


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图4. 项链型位错的结构


    本文的发现为设计具有稳定循环特性,不依赖加载历史的金属材料提供了新的思路——即通过构建高度有序的孪晶结构(项链型位错)来提高金属的抗疲劳性能。


注:传统地,人们通常通过在金属材料中添加各种“维生素”(其他组分金属)来增强金属抗疲劳性能。


——作者介绍——


     卢磊,1997年7月于中科院金属所获工学硕士学位,2000年6月于中科院金属研究所获工学博士学位,毕业后留在中科院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室工作现为中国科学院金属研究所研究员,主要从事块体金属纳米材料的研究工作,包括材料的制备、微观结构、热稳定性,机械性能及其变形机理研究。其中有关纳米晶体Cu的室温超塑延展性的研究成果被评为2000年中国十大科技进展和中国十大科技新闻之一。2012年12月11日,卢磊研究员凭借其在高强高导金属材料领域的研究成果获得第九届“中国青年女科学家奖”。

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卢磊研究员课题组链接:

http://www.synl.ac.cn/org/mat/llu/index.html


  高华健,美国工程院院士,中国科学院外籍院士,国际力学界著名科学家。1982年毕业于西安交通大学工程力学系,1988年获哈佛大学工程科学博士学位。现任美国布朗大学终身教授,曾任斯坦福大学教授、德国Max-Planck金属材料研究所所长。  

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    高华健的研究领域是固体的宏微观形变和破坏行为。他主要的三项科学成就是:创立基于微观机制上的应变梯度理论和发展微纳米塑性变形机制的模拟计算,建立纳米生物结构的力学理论体系,创立超音速和超弹性动态断裂力学。基于位错力学,高华健从描述材料强度与位错密度之间的Taylor律出发,用一个多尺度的范式创立了MSG理论;他的MSG理论和微纳米塑性变形机制的工作被全世界64个国家和地区2411所大学和科研机构引用。自然界能够将柔软的蛋白质和脆性的矿物质组合形成异常坚韧的生物材料;高华健的研究揭示,生物结构材料中存在着一类特定的纳米结构:即坚硬的板状材料交叉镶嵌于较柔软的基体中;他提出的“拉-剪链”模型和“分形骨骼”模型成功地解释了骨骼多尺度变形的实验结果。经典的力学理论认为、裂纹的扩展速度无法超越弹性波波速;高华健通过超大规模分子动力学模拟首次发现了超音速裂纹扩展,他的研究打破了传统的断裂力学理论,成功地解释了高速裂纹扩展下裂尖失稳的实验结果 。

    高华健已经发表学术论文300余篇,ISI引用18600余次,在世界固体力学领域学者过去20年中的引用排名第一。高华健是目前国际上60岁以下固体力学家中最杰出的代表。在2012年国际理论与应用力学联合会上,他被授予四年仅一人的世界力学界最高荣誉—Rodney Hill固体力学奖。授奖词中讲到“他的研究成果奠定并拓展了现代力学研究的前沿”。2015年,他先后获得美国工程科学协会的最高奖—William Prager奖,和美国机械工程师协会的材料类最高奖—Nadai奖 (以上内容参考百度文库)。


课题组链接:

http://www.brown.edu/research/projects/nanomechanics-engineering-biological-systems/


声明:由于小编完全不了解这个领域,如果解读中有错误不处,恳请方家指正!


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