近日，蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室和材料科學與工程學院趙燕春教授與田納西大學高雁飛教授及香港城市大學朱運田教授合作在異質結構材料領域的最新研究成果以題為“What are the “dispersive shear bands” on the surfaces of layered heterostructured materials?”在固體力學頂級期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》在線發表。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105467

作為材料科學的前沿研究，異質形變誘導（HDI）強化被認為是克服材料強度與塑性權衡關系的關鍵驅動力。然而，無論是雙峰結構（Bi-modal）的內部還是層狀或梯度材料的表層，其強韌化機制往往會伴隨著“剪切帶”或應變集中帶，這種所謂的“剪切帶”并非是由于材料本構失穩造成的，而是由幾何原因所引起的，它們其實是中短波頸縮。

本工作從兩方面入手，一方面，幾何必要位錯形成的正向應力和背應力均是處于微觀尺度的，但絕大多數的失效是由于缺乏起源和排布機制的宏觀尺度“剪切帶”所導致的。另一方面，由DIC實驗得到的“剪切帶”形貌和數量具有較強的隨機性和不確定性，且主要取決于試樣的截面比。因此，采用3D有限元模擬定量研究了軟硬層的異質強化和表面擾動機制的協同效應。表面擾動的幾何因素（如波長、初始振幅和相位差等）是決定“剪切帶”三種排列類型的關鍵因素，包括I、X以及W型。此外，傾斜角度和波長表現出強烈的自選擇行為。即使在不考慮幾何必要位錯（GND）和異質形變誘導（HDI）強化機制的情況下，層狀異質材料表面“剪切帶”的形成原因也可由連續介質力學和表面擾動解釋。

【作者簡介】

馬虎文，蘭州理工大學博士生。研究方向為先進結構材料的變形機制及功能結構調控機理。

趙燕春，蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室和材料科學與工程學院教授、博士生導師。研究方向為亞穩態金屬材料及及增材制造、異質金屬材料功能結構一體化調控機理。

高雁飛，美國田納西大學材料科學及工程系教授。研究方向為固體力學、先進結構材料的變形和破壞機制、固態增材制造。

朱運田：香港城市大學講座教授，歐洲科學院院士。是異構材料領域的發起人之一，長期以來從事納米結構材料的研究，探索了納米金屬材料的組織性能控制和變形機理。

【致謝】

本研究得到了中國國家自然科學基金、甘肅省重點研發及計劃、浙江省自然科學基金、蘭州理工大學紅柳青年基金的資助。同時本研究獲得了蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室、蘭州理工大學材料科學與工程學院及田納西大學材料科學及工程系的大力支持，在此一并表示感謝。