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新金属材料国家重点实验室王沿东教授团队在金属形变损伤研究领域取得新进展

在国家自然科学基金重点、面上项目(项目编号:5123100251471032)及国家重大科研仪器研制项目(项目编号:51527801)等资助下,北京科技大学新金属材料国家重点实验室王沿东教授团队与美国阿贡国家实验室Wenjun Liu博士、佐治亚理工学院Ting Zhu教授及东北大学与重庆大学研究者等研究者合作,开展金属材料疲劳形变亚微米尺度应力分布的原位研究,揭示了疲劳剪切带损伤的微观机制。研究成果以“Unraveling submicron-scale mechanical heterogeneity by three-dimensional X-ray microdiffraction”(三维X射线微衍射技术揭示亚微米尺度形变与损伤不均匀性)为题,于2018116日发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)上(2018Vol. 115 (3) 483-488)。该论文的第一作者是我校新金属材料国家重点实验室在读博士研究生李润光。相关成果也被国家基金委网站在资助成果栏目以我国学者在金属形变损伤研究领域取得新进展为题作专门报道。

循环载荷作用下工程材料的疲劳行为是航空航天、高铁、核工业等领域服役安全设计研究中的重要科学问题。金属材料在应力载荷下的疲劳形变导致位错局域累积,造成材料损伤及微纳裂纹形核。对于具有平面滑移特征的合金,在疲劳过程中形成的驻留形变剪切带(Persistent Lüders Bands)是损伤破坏的基本单元,其形成与扩展制约了材料的疲劳强度与寿命,而剪切带的三维介观位错模型及时空分辨的动态演化机制也是形变与损伤领域中急需解决的关键科学难题。尽管以前大量实验关注形变带的形成,但由于缺乏先进的材料表征手段,其形变带内局域应力/应变集中、亚结构演化与微观形变损伤过程一直众说纷纭并长期困扰着材料科学家

最近,王沿东教授团队利用同步辐射X射线微束衍射原位分析技术,通过对疲劳剪切带位错结构引起的巨大应力梯度与微小取向梯度的精确表征,确定亚微米尺度应力场动态演化的精细过程;揭示了几何必需位错对剪切带的形成、剪切带交互作用及微观损伤的影响机理;以平面滑移金属低应变幅循环形变为例,澄清了交叉剪切带处应力集中引起疲劳寿命偏离经典Coffin-Manson定律的物理本质。同时,利用具有三维分辨的同步辐射原位表征手段,开展块体材料局部形变与损伤破坏研究。根据晶粒取向相关的疲劳微观损伤的精细测量,提出剪切带交互作用下新的位错模型。这一研究成果对金属材料的疲劳断裂行为与使用寿命准确预估及高性能设计具有重要指导意义。

王沿东团队一直应用基于同步辐射源的高能X射线、X射线微束技术,在金属相变、形变与损伤行为研究中取得重要进展,在过去几年里先后于Acta Mater发表10余篇研究论文,阐明金属材料的局域形变与受限相变行为 (Vol. 141(2017), 294-303; Vol. 140 (2017), 168-175; 2014, Vol.81(2014), 476-486; Vol. 63(2014), 12-24)