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王沿東教授團隊在金屬形變損傷研究領域取得新進展

單位(作者):新金屬材料國家重點實驗室 | 來源:本站原創 | 更新時間:2018-02-07 | 點擊數:

在國家自然科學基金重點、面上項目(項目編號:51231002,51471032)及國家重大科研儀器研制項目(項目編號:51527801)等資助下,北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室王沿東教授團隊與美國阿貢國家實驗室Wenjun Liu博士、佐治亞理工學院Ting Zhu教授及東北大學與重慶大學研究者等研究者合作,開展金屬材料疲勞形變亞微米尺度應力分布的原位研究,揭示了疲勞剪切帶損傷的微觀機制。研究成果以“Unraveling submicron-scale mechanical heterogeneity by three-dimensional X-ray microdiffraction”(三維X射線微衍射技術揭示亞微米尺度形變與損傷不均勻性)為題,2018年1月16日發表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)上(2018,Vol. 115 (3): 483-488)。該論文第一作者為我校新金屬材料國家重點實驗室在讀博士研究生李潤光,相關成果被國家基金委網站在資助成果欄目以“我國學者在金屬形變損傷研究領域取得新進展”為題作專門報道。

循環載荷作用下工程材料的疲勞行為是航空航天、高鐵、核工業等領域服役安全設計研究中的重要科學問題。金屬材料在應力載荷下的疲勞形變導致位錯局域累積,造成材料損傷及微納裂紋形核。對于具有平面滑移特征的合金,在疲勞過程中形成的駐留形變剪切帶(Persistent Lüders Bands)是損傷破壞的基本單元,其形成與擴展制約了材料的疲勞強度與壽命,而剪切帶的三維介觀位錯模型及時空分辨的動態演化機制也是形變與損傷領域中急需解決的關鍵科學難題。盡管以前大量實驗關注形變帶的形成,但由于缺乏先進的材料表征手段,其形變帶內局域應力/應變集中、亞結構演化與微觀形變損傷過程一直眾說紛紜并長期困擾著材料科學家。

最近,王沿東教授團隊利用同步輻射X射線微束衍射原位分析技術,通過對疲勞剪切帶位錯結構引起的巨大應力梯度與微小取向梯度的精確表征,確定亞微米尺度應力場動態演化的精細過程;揭示了幾何必需位錯對剪切帶的形成、剪切帶交互作用及微觀損傷的影響機理;以平面滑移金屬低應變幅循環形變為例,澄清了交叉剪切帶處應力集中引起疲勞壽命偏離經典Coffin-Manson定律的物理本質。同時,利用具有三維分辨的同步輻射原位表征手段,開展塊體材料局部形變與損傷破壞研究。根據晶粒取向相關的疲勞微觀損傷的精細測量,提出剪切帶交互作用下新的位錯模型。這一研究成果對金屬材料的疲勞斷裂行為與使用壽命準確預估及高性能設計具有重要指導意義。

王沿東團隊一直應用基于同步輻射源的高能X射線、X射線微束技術,在金屬相變、形變與損傷行為研究中取得重要進展,在過去幾年里先后于Acta Mater發表10余篇研究論文,闡明金屬材料的局域形變與受限相變行為 (Vol. 141(2017), 294-303; Vol. 140 (2017), 168-175; 2014, Vol.81(2014), 476-486; Vol. 63(2014), 12-24)。

(責編:邢華超)


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