金属材料强韧化的内在与外在微纳尺寸效应-推荐国家自然科.PDF

推荐国家自然科学奖项目公示 项目名称 金属材料强韧化的内在与外在微纳尺寸效应 推荐单位 教育部 推荐单位意见： 我单位认真审阅了该项目推荐书及附件材料，确认全部材料真实有效，相关栏目 均符合国家科学技术奖励工作办公室的填写要求。 随着技术的进步，金属材料中决定其力学性能的内在特征微观组织尺寸，以及微 纳器件所用金属材料的外观尺寸相应均已减小到与其位错和孪晶等变形的各种物理载 体相当的微纳尺寸范畴。原来仅依赖于材料内在微观组织、具有材料常数性质的性能 指标均会表现出明显的材料外在尺寸效应，金属材料强韧化面临着新的挑战和机遇。 该项目基于上述变形物理载体对材料内在和外在微纳尺寸的依赖性，通过系统深入的 研究，在具有三种典型晶体结构的金属材料中发现了其内在与外在微纳尺寸效应及其 耦合对强韧化作用的新规律和新机制，为提高其强韧化水平提供了理论依据与新思路。 该项目在Nature、Nature Mater 等期刊发表的8 篇代表作被包括 18 名院士在内 的32 个国家450 余名作者在42 种国际期刊SCI 他引425 次。2 篇论文入选ESI 高被引 论文，1 篇入选 “中国百篇最具影响力国际学术论文”，并被收入美国和德国科学家编 写的3 部学术专著。包括国际断裂大会50 分钟大会主旨报告在内的国际会议特邀报告 30 次。针对上述成果，国际权威学者在Nature Mater 上发表正面专题评述文章2 篇， 并被Nanotoday，NPG Asia Mater 和Nature China 专题正面评论3 次。部分成果入选 2010 年度 “中国高等学校十大科技进展”。 对照国家自然科学奖授奖条件，推荐该项目申报2017 年度国家自然科学奖一等奖。 项目简介： 该项目属于材料科学基础领域。 提高金属材料强度、并兼顾其延韧性，是该领域追求的永恒主题和面临的共性关 键问题。随着技术的进步，金属材料中决定其力学性能的内在特征微观组织尺寸，以 及微纳器件所用金属材料的外观尺寸相应均已减小到与其位错和孪晶等变形的各种物 理载体相当的微纳尺寸范畴。原来仅依赖于材料内在微观组织、具有材料常数性质的 性能指标均会表现出明显的材料外在尺寸效应，金属材料强韧化面临着新的挑战和机 遇。该项目正是基于上述变形物理载体对材料内在和外在微纳尺寸的依赖性，通过系 统深入的研究，在具有三种典型晶体结构的金属材料中发现了其内在与外在微纳尺寸 效应及其耦合对强韧化作用的新规律和新机制，为提高其强韧化水平提供了理论依据 与新思路。主要发现点如下： 1. 发现了微纳尺寸金属单晶中孪晶变形的强烈晶体外在尺寸效应，在亚微米尺度时变 形机制由孪晶变形转为位错滑移变形主导，而其最大流变应力达到其理想强度值，并 保有相当的压缩塑性。提出了以螺位错为媒介的孪晶变形 “受激滑移”模型，阐明了 孪晶变形强度 “愈小愈强”尺寸效应的内在机理。美国材料研究学会(MRS)主席Kraft 教授在Nature Mater 的专题评述称该结果 “颠覆了晶体尺寸愈小愈容易形成孪晶这一 长期以来人们的直觉，其尺度效应远大于位错的，可在大得多的尺寸上达到其理想强 度，并可制成具有超高比强度的微米金属纤维材料”。 2. 建立了合金强韧化的内在多尺度第二相耦合效应模型，发现了通过调控微米至纳米 尺度颗粒之间的匹配，特别是利用合金超细晶内纳米第二相粒子与位错的交互作用提 高其应变硬化能力，可以在强化的同时显著增加其延韧性。被国外学者称为 “近15 年 时效合金强韧化物理模型中的四个代表性工作之一”。欧洲科学院院士Valiev 教授在 Nature Mater 的专题评述称该结果 “为同步提高合金强度与延韧性提供了有效途径， 是块体金属材料纳米化的一个非常好的范例”。 3. 构建了纳米金属多层膜变形断裂尺度效应的微观力学模型，揭示了其微纳柱体强韧 化的内在层厚与外在直径的耦合尺寸效应，发现了层厚 10 纳米、直径为亚微米的铜/ 铜锆非晶多层膜微纳柱体的强度可超过或接近其组元相理想强度，并具有相当大的压 缩塑性。美国同行认为 “该材料体系的微纳结构设计能够在根本上改变材料的变形行 为，提供了广受欢迎的、与十余年来等轴纳米晶金属迥然不同的高强韧性能组合”。 该项目在Nature、Nature Mater 等期刊发表的8 篇代表作被包括 18 名院士在内 的32 个国家450 余名作者在42 种国际期刊SCI 他引425 次。2 篇论文入选ESI 高被引 论文，1 篇入选 “中国百篇最具影响力国际学术论文”，并