國家自然科學(xué)獎推薦書-中科院力學(xué)所

1、一、提名項目： 考慮非均勻結(jié)構(gòu)效應(yīng)的金屬材料剪切帶二、提名意見：該項目以顆粒增強金屬基復(fù)合材料和非晶合金為模型系統(tǒng)，突破經(jīng)典的熱塑剪切帶理論框架，發(fā)展了位錯機制依賴的應(yīng)變梯度本構(gòu)，揭示了蘊含的非均勻結(jié)構(gòu)通過應(yīng)變梯度效應(yīng)對熱塑剪切帶形成具有強烈驅(qū)動作用；建立了包含多過程耦合與時空多尺度的剪切帶新理論，澄清了非晶合金剪切帶形成機制長期廣泛的國際爭議，得到了剪切帶失穩(wěn)判據(jù)、協(xié)同演化、特征厚度以及誘致斷裂機理等一系列原創(chuàng)性成果。該項目 8 篇代表性論文共被Nature Materials、Physical Review Letters、 Progress in Materials Science等 S

2、CI 重要刊物他人引用 393 次，引用者包括國內(nèi)外科學(xué)院或工程院院士、權(quán)威雜志主編、領(lǐng)域知名學(xué)者等。項目研究成果系統(tǒng)揭示了材料內(nèi)稟非均勻結(jié)構(gòu)效應(yīng)如何影響甚至顛覆熱塑剪切帶的傳統(tǒng)認(rèn)知，顯著推動了剪切帶理論的發(fā)展，在國際上產(chǎn)生了重要的學(xué)術(shù)影響。提名該項目為國家自然科學(xué)二等獎。三、項目簡介剪切帶是一類廣泛存在的塑性變形局部化失穩(wěn)現(xiàn)象。本征上，具有特征厚度的剪切帶是一種遠(yuǎn)離平衡態(tài)的動態(tài)耗散結(jié)構(gòu)，其涌現(xiàn)與演化是材料內(nèi)部多種速率依賴耗散過程高度非線性耦合控制的時空多尺度問題。傳統(tǒng)金屬材料剪切帶經(jīng)百余年研究，逐漸形成了以熱軟化為主控機制的熱塑剪切帶理論，并獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著人們對高性能材料的不懈追求，

3、眾多內(nèi)蘊微納尺度非均勻結(jié)構(gòu)的新型金屬材料不斷發(fā)展，其中代表性的有微米尺度顆粒增強的金屬基復(fù)合材料和納米尺度結(jié)構(gòu)非均勻的非晶合金。由于 不考慮材料結(jié)構(gòu)效應(yīng) ，經(jīng)典熱塑剪切帶理論在描述這些新型金屬材料的剪切帶行為時，遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。為此，該項目團隊以顆粒增強金屬基復(fù)合材料和非晶合金為模型材料，研究了材料內(nèi)稟的 非均勻結(jié)構(gòu)效應(yīng)如何影響甚至顛覆熱塑剪切帶的傳統(tǒng)認(rèn)知 ，顯著推動了剪切帶理論的發(fā)展，形成了具有鮮明特色的系統(tǒng)性的原創(chuàng)研究成果。主要發(fā)現(xiàn)點如下：（一）、發(fā)展了顆粒增強金屬基復(fù)合材料應(yīng)變梯度依賴的熱塑剪切帶理論。實驗發(fā)現(xiàn)微尺度增強顆粒對金屬基復(fù)合材料塑性變形具有強化和剪切帶軟化“正、反 ”尺

4、寸效應(yīng)，通過發(fā)展計及應(yīng)變梯度效應(yīng)的熱塑剪切帶理論，揭示了顆粒尺寸作為內(nèi)稟結(jié)構(gòu)效應(yīng)對金屬基復(fù)合材料熱塑剪切帶形成具有強烈驅(qū)動作用；（二）、建立了內(nèi)蘊非均勻結(jié)構(gòu)效應(yīng)的非晶合金剪切帶新理論。 構(gòu)建了非晶合金自由體積熱粘塑性剪切流動的理論框架，得到了具有明確物理內(nèi)涵的剪切帶失穩(wěn)判據(jù)和特征厚度的解析表達，揭示了非晶合金剪切帶形成的結(jié)構(gòu)軟化主控、熱軟化輔助的新機制，闡明了多重剪切帶協(xié)同演化動力學(xué)規(guī)律；（三）、提出了一種新的原子團簇運動模型 “拉伸轉(zhuǎn)變區(qū) ”，澄清了非晶合金剪切帶誘致斷裂過程中的能量耗散機制： 裂尖剪切主控“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”和體脹主控“拉伸轉(zhuǎn)變區(qū)”兩個耦合元過程的固有競爭。上述工作的 8 篇代表

5、性論文被 SCI 他引 393 次。引用者包括 塊體非晶合金領(lǐng)域開創(chuàng)者之一、日本學(xué)士院院士和美國工程院院士 A. Inoue，歐洲科學(xué)院院士、德國科學(xué)院院士和美國工程院外籍院士 H. Gleiter ，美國工程院院士和中國科學(xué)院外籍院士高華健，中國科學(xué)院汪衛(wèi)華院士， Albert Sauveur成就獎獲得者美國加州大學(xué) M.A. Meyers 教授， Philosophical Magazine主編英國劍橋大學(xué) A.L. Greer 教授等。研究成果 得到大量后續(xù)研究證實， 不僅在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界產(chǎn)生重要影響，而且得到 國外軍事研究機構(gòu) 的關(guān)注。非晶剪切帶成果已成為領(lǐng)域經(jīng)典工作之一， 被多篇權(quán)威綜

6、述文章作為 獨立一節(jié)長篇幅引用 ，并 作為 獨立一章 Shear-banding in metallic glasses發(fā)表在英國帝國理工學(xué)院 Dood 教授和第二完成人合著的剪切帶專著 Adiabatic Shear Localization第二版中?；谠擁椖砍晒谝煌瓿扇擞?007 年獲得國家杰出青年科學(xué)基金資助，2009 年入選“新世紀(jì)百千萬人才工程”國家級人選。 第三完成人于 2008 年獲得首屆英國麥克斯韋青年作者獎。四、客觀評價發(fā)現(xiàn)點一： 顆粒增強金屬基復(fù)合材料應(yīng)變梯度依賴的熱塑剪切帶理論。代表性引文【 1,2,3】復(fù)合材料力學(xué)領(lǐng)域著名學(xué)者新加坡國立大學(xué)M. Gupta 教授、

7、 S.P. Joshi教授等系列文章中大量引用 代表性論文【 1】中提出的機理和理論公式 ，用于解釋他們的實驗現(xiàn)象。比如，在代表性引文 【 1】中： “屈服應(yīng)力的提高可用以下方程估算 代表性論文 1，.根據(jù) Taylor 位錯強化機理，這些應(yīng)力可被確定如下 代表性論文 1.”；Acta Mater 55 (2007) 5115 中： “幾何必須位錯增加的詳細(xì)推導(dǎo)可參考 代表性論文 1，具體表達為： . .”。瑞典皇家理工學(xué)院 P. Gudmundson教授在代表性引文 【2】中： “通過考慮間接和直接強化，應(yīng)變梯度理論可耦合進增量細(xì)觀力學(xué)框架。從而，實驗觀察到的金屬基復(fù)合材料顆粒尺寸依賴的非彈

8、性變形行為可被預(yù)測 代表性論文 1.”。國際損傷力學(xué)雜志主編美國加州大學(xué) J.W. Ju教授等（ Int. J. Damage Mech2011；附件 7-9）：直接引用 代表性論文 1的實驗圖 1； “根據(jù)（ By following）代表性論文 1，熱失配產(chǎn)生的位錯密度可估算為 .。通過引入初始粒子的體積分?jǐn)?shù)，可考慮以下增量形式（參見代表性論文1）： . .”。芬蘭坦佩雷理工大學(xué) K. Valtonen 教授等在代表性引文【 3】中： “觀察到的絕熱剪切帶對于本文的金屬基復(fù)合材料具有重要作用。發(fā)現(xiàn)十分小的增強顆粒尺寸 代表性論文 2（ 5-15m）會影響白色絕熱剪切帶的形成，. .”。加拿

9、大曼尼托巴大學(xué) N. Bassim 教授等（ Mater. Sci. Eng. A 2014；附件7-10）： “Owolabi 等 20 和 Dai 等代表性論文 2研究了顆粒增強金屬基復(fù)合材料中顆粒尺寸對絕熱剪切帶形成的影響，發(fā)現(xiàn)小顆粒增強的復(fù)合材料更易于形成絕熱剪切帶。 Dai 等將這種尺寸依賴行為歸因于應(yīng)變梯度效應(yīng)，認(rèn)為高應(yīng)變梯度是絕熱剪切帶形成的強驅(qū)動力 .”；（Mater. Sci. Eng. A 2007；附件 7-10）: “沖擊后材料的微結(jié)構(gòu)演化也證實鋁基復(fù)合材料比單相合金更容易熱塑失穩(wěn)而應(yīng)變局部化。 這些結(jié)果和 Dai 等代表性論文 2的觀察一致 ，即高應(yīng)變梯度是絕熱剪切帶

10、形成的強驅(qū)動力 .”。發(fā)現(xiàn)點： 內(nèi)蘊非均勻結(jié)構(gòu)效應(yīng)的非晶合金剪切帶新理論【 4,5,6,7】。代表性 引文美國喬治亞理工學(xué)院N.N. Thadhani教授在代表性引文【4】這樣評價： “Jiang和 Dai 代表性論文 5揭示了剪切帶失穩(wěn)的自由體積起源。他們解釋了自由體積軟化和經(jīng)典的熱軟化可導(dǎo)致 完全不同 的剪切帶機理。 . Jiang和 Dai代表性論文 5進一步解釋了剪切帶內(nèi)動態(tài)應(yīng)變率導(dǎo)致的局部瞬態(tài)溫升，這會加速自由體積的凈產(chǎn)生，從而有利于自由體積軟化為起源的剪切帶失穩(wěn).”。日本東京大學(xué) H. Tanaka教授在代表性引文【 5】中： “這種剪切帶內(nèi)密度漲落的增強，更確切地是自由體積的聚集

11、，已經(jīng)得到非晶合金單軸壓縮實驗的證實 27-29.”，其中 28 是代表性論文 4。英國劍橋大學(xué) A.L. Greer 教授和美國約翰霍普金斯大學(xué) E. Ma 教授在代表性引文【 6】用 1 個多頁面、 3 幅原圖，詳細(xì)介紹并充分肯定了代表性論文 5 關(guān)于剪切帶形成過程中熱和自由體積相互作用的結(jié)果。他們這樣評價：“正如 Jiang和 Dai 所全面揭示（ comprehensivelydemonstrated）的那樣 。即使熱不是非晶合金中剪切局部化的起源，它也必將對剪切帶起重要影響。他們的模型 .。一個重要的優(yōu)點（ A key merit）是不同的因素可以單獨進行建模分析。 .從這個連續(xù)介質(zhì)

12、模型可以得出重要的一點 （A key point）是，一旦有熱產(chǎn)生，溫度將隨著應(yīng)變持續(xù)升高。這種耦合模式下的近似線性增長與上述方程（ 4）對熱的簡單描述幾乎一致 .”。德國萊布尼茨固體材料研究所J. Eckert 教授和中科院物理所汪衛(wèi)華院士等【 Acta Mater. 2012；附件 7-11】評述： “一般來講，剪切帶起始于局部的軟化區(qū)域，軟化機制可以歸因于局部熱影響 30-32 或者剪脹（自由體積產(chǎn)生） 11-13或者兩者的耦合 代表性論文 5 .”。美國布朗大學(xué)高華健院士等在代表性引文【 7】中將代表性論文 7 作為他們的研究出發(fā)點： “一個重要的突出問題（ An important

13、outstanding question）是這兩個長度尺度，即 STZ 尺寸和剪切帶厚度，是否以及如何相互關(guān)聯(lián)的 .25”。在文章結(jié)尾，他們這樣總結(jié)： “有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)對于三種玻璃的剪切帶厚度和 STZ 特征尺度的比例幾乎保持恒定，為 8。這也和剪切帶厚度大致等于 10 倍 STZ 尺寸的觀測 是一致的 .25”，從而驗證了該項目關(guān)于非晶剪切帶厚度的理論預(yù)測。發(fā)現(xiàn)點三： 非晶合金剪切帶誘致斷裂機理。代表性引文【 4,8】美國加州大學(xué) C.H. Rycroft 教授和以色列 威茲曼科學(xué)院 E. Bouchbinder 教授評價（代表性引文 8）：“對于多組分低冷速的塊體非晶合金，裂紋成核不大

14、可能與流體彎月失穩(wěn)相關(guān)， 而很可能是裂尖孔洞成核 代表性論文 8。后者最近已經(jīng)得到實驗和模擬支持 代表性論文 8， 35-38.”。日本東北大學(xué)原校長 A. Inoue 院士、英國劍橋大學(xué) A.L. Greer 教授等合作的系列論文中【 Scripta Mater. 2009 & 2010; Intermetallics 2011; Acta Mater. 2012；附件 7-12】重點闡述了代表性論文 8 提出的非晶斷裂韌脆轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則，來解釋他們的實驗現(xiàn)象。例如，他們評價 （Scripta Mater. 2009）：“正如 Jiang et al. 代表性論文 8指出，兩個重要的尺度決

15、定了斷裂形貌的長度尺度：裂尖曲率半徑R 和彎月失穩(wěn)的臨界波長 c。R 依賴于斷裂模式。 雖然數(shù)值上有些差異，但是 基本思想是一致的 ”。印度理學(xué)院 U. Ramamurty 院士等在【 Acta Mater. 2009；附件 7-13】中大篇幅引用并闡述TTZ 模型，在文中評價到： “特別地， Jiang et al.代表性論文 8把非晶合金中觀察到的準(zhǔn)解理斷裂擬想成TTZ 的結(jié)果。 . 這一點在本文的韌脆轉(zhuǎn)變框架中極為重要（ paramount importance）。 . ?！毕愀劾砉ご髮W(xué) K.C. Chan 教授和中科院物理所汪衛(wèi)華院士等在【Acta Mater.2008；附件 7-14

16、】中，直接引用代表性論文8 提出的 TTZ 模型及理論方程預(yù)測實驗觀測的納米周期條痕尺度，發(fā)現(xiàn)預(yù)測值與實驗值非常接近（“very closeto”）。五、代表性論文1. L.H. Dai,* Z. Ling, Y.L. Bai/ Size-dependent inelastic behavior of particle-reinforced metal-matrix composites/ Composites Science and Technology/ 2001, 61: 1057-1063.2. L.H. Dai, * L.F. Liu, Y .L. Bai/ Effect of pa

17、rticle size on the formation of adiabatic shear band in particle reinforced metal matrix composites/ Materials Letters/ 2004, 58: 1773-1776.3. L. F. Liu, L. H. Dai, * Y. L. Bai, B. C. Wei/ Initiation and propagation of shear bands in Zr-based bulk metallic glass under quasi-static and dynamic shear

18、loadings/Journal of Non-Crystalline Solids/ 2005, 351: 3259-3270.4. L. F. Liu, L. H. Dai, * Y . L. Bai, B. C. Wei, J. Eckert/ Behavior of multiple shear bands in Zr-based bulk metallic glass/ Materials Chemistry and Physics/ 2005, 93: 174-177.5. M. Q. Jiang, L. H. Dai*/ On the origin of shear bandin

19、g instability in metallic glasses/ Journal of the Mechanics and Physics of Solids/ 2009, 57: 1267-1292.6. Y. Chen, M.Q. Jiang, L.H. Dai*/ Collective evolution dynamics of multiple shearbands in bulk metallic glasses/ International Journal of Plasticity/ 2013, 50: 18-36.7. M. Q. Jiang, W. H. Wang, L.

20、 H. Dai*/ Prediction of shear-band thickness in metallic glasses/ Scripta Materialia/ 2009, 60: 1004-1007.8. M. Q. Jiang, Z. Ling, J. X. Meng, L. H. Dai*/ Energy dissipation in fracture of bulk metallic glasses via inherent competition between local softening and quasi-cleavage/ Philosophical Magazi

21、ne/ 2008, 88: 407-426.六、主要完成人情況姓名排名行政職務(wù)技術(shù)職稱工作單位完成單位戴蘭宏一力學(xué)所學(xué)位研究員中國科學(xué)院中國科學(xué)院委員會主任力學(xué)研究所力學(xué)研究所白以龍二無研究員 / 院士中國科學(xué)院中國科學(xué)院力學(xué)研究所力學(xué)研究所蔣敏強三無研究員中國科學(xué)院中國科學(xué)院力學(xué)研究所力學(xué)研究所材料科學(xué)與中國科學(xué)院劉龍飛四工程學(xué)院副副教授湖南科技大學(xué)力學(xué)研究所院長陳艷五無副研究員中國科學(xué)院中國科學(xué)院力學(xué)研究所力學(xué)研究所對本項目貢獻：第一完成人戴蘭宏： 發(fā)展了位錯機制依賴的應(yīng)變梯度本構(gòu)，揭示了內(nèi)稟結(jié)構(gòu)尺寸 / 應(yīng)變梯度效應(yīng)對熱塑剪切帶形成具有驅(qū)動作用；建立了表征非晶合金自由體積熱粘塑性剪切流動

22、的統(tǒng)一理論框架，得到了剪切帶失穩(wěn)判據(jù)、協(xié)同演化、特征厚度以及誘致斷裂機理等一系列原創(chuàng)性成果。是代表性論文1-8的通訊作者兼 1 和2 的第 1 作者。第二完成人白以龍： 為顆粒增強金屬基復(fù)合材料和非晶合金的剪切帶分析提供理論指導(dǎo)，參與建立了應(yīng)變梯度依賴熱塑剪切帶理論和非晶合金自由體積熱粘塑性剪切流動的統(tǒng)一理論框架，分析了非晶剪切帶的失穩(wěn)機制，是代表性論文 1-4的主要作者。第三完成人蔣敏強： 對重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)點 2 和 3 做出了創(chuàng)造性貢獻：澄清了非晶合金剪切帶耦合軟化過程中自由體積和熱的相互作用機制，參與了非晶剪切帶協(xié)同演化模型的建立以及機理分析，得到了理論預(yù)測非晶剪切帶厚度的解析表達；提出了“拉伸轉(zhuǎn)變區(qū)”模型與韌脆轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則，澄清了非晶剪切帶誘致斷裂過程的能量耗散機制。第四完成人劉龍飛： 實驗發(fā)現(xiàn)了應(yīng)變率、自由體積和溫度等是影響剪切帶形成的主要因素，分析了非晶剪切帶的失穩(wěn)機