國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)推薦書-中科院力學(xué)所

1、一、提名項(xiàng)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(xiàng)目以顆粒增強(qiáng)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(cuò)機(jī)制依賴的應(yīng)變梯度本構(gòu)，揭示了蘊(yùn)含的非均勻結(jié)構(gòu)通過應(yīng)變梯度效應(yīng)對(duì)熱塑剪切帶形成具有強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)作用；建立了包含多過程耦合與時(shí)空多尺度的剪切帶新理論，澄清了非晶合金剪切帶形成機(jī)制長(zhǎng)期廣泛的國(guó)際爭(zhēng)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(jī)理等一系列原創(chuàng)性成果。該項(xiàng)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(guó)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(xiàng)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(dòng)了剪切帶理論的發(fā)展，在國(guó)際上產(chǎn)生了重要的學(xué)術(shù)影響。提名該項(xiàng)目為國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。三、項(xiàng)目簡(jiǎn)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(dòng)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(shí)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(jī)制的熱塑剪切帶理論，并獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著人們對(duì)高性能材料的不懈追求，

3、眾多內(nèi)蘊(yùn)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(qiáng)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(shí)，遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。為此，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)以顆粒增強(qiáng)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(dòng)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(diǎn)如下：（一）、發(fā)展了顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料應(yīng)變梯度依賴的熱塑剪切帶理論。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微尺度增強(qiáng)顆粒對(duì)金屬基復(fù)合材料塑性變形具有強(qiáng)化和剪切帶軟化“正、反 ”尺

4、寸效應(yīng)，通過發(fā)展計(jì)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(duì)金屬基復(fù)合材料熱塑剪切帶形成具有強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)作用；（二）、建立了內(nèi)蘊(yùn)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(dòng)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(dá)，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(jī)制，闡明了多重剪切帶協(xié)同演化動(dòng)力學(xué)規(guī)律；（三）、提出了一種新的原子團(tuán)簇運(yùn)動(dòng)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(jī)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(gè)耦合元過程的固有競(jìng)爭(zhēng)。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(guó)工程院院士 A. Inoue，歐洲科學(xué)院院士、德國(guó)科學(xué)院院士和美國(guó)工程院外籍院士 H. Gleiter ，美國(guó)工程院院士和中國(guó)科學(xué)院外籍院士高華健，中國(guó)科學(xué)院汪衛(wèi)華院士， Albert Sauveur成就獎(jiǎng)獲得者美國(guó)加州大學(xué) M.A. Meyers 教授， Philosophical Magazine主編英國(guó)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(shí)， 不僅在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界產(chǎn)生重要影響，而且得到 國(guó)外軍事研究機(jī)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(dú)立一節(jié)長(zhǎng)篇幅引用 ，并 作為 獨(dú)立一章 Shear-banding in metallic glasses發(fā)表在英國(guó)帝國(guó)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?xiàng)目成果，第一完成人于2007 年獲得國(guó)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(guó)家級(jí)人選。 第三完成人于 2008 年獲得首屆英國(guó)麥克斯韋青年作者獎(jiǎng)。四、客觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)一： 顆粒增強(qiáng)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(guó)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(jī)理和理論公式 ，用于解釋他們的實(shí)驗(yàn)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(cuò)強(qiáng)化機(jī)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(cuò)增加的詳細(xì)推導(dǎo)可參考 代表性論文 1，具體表達(dá)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(qiáng)化，應(yīng)變梯度理論可耦合進(jìn)增量細(xì)觀力學(xué)框架。從而，實(shí)驗(yàn)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(cè) 代表性論文 1.”。國(guó)際損傷力學(xué)雜志主編美國(guó)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(shí)驗(yàn)圖 1； “根據(jù)（ By following）代表性論文 1，熱失配產(chǎn)生的位錯(cuò)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(duì)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(qiáng)顆粒尺寸 代表性論文 2（ 5-15m）會(huì)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(qiáng)金屬基復(fù)合材料中顆粒尺寸對(duì)絕熱剪切帶形成的影響，發(fā)現(xiàn)小顆粒增強(qiáng)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(qiáng)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(qiáng)驅(qū)動(dòng)力 .”。發(fā)現(xiàn)點(diǎn)： 內(nèi)蘊(yùn)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(guó)喬治亞理工學(xué)院N.N. Thadhani教授在代表性引文【4】這樣評(píng)價(jià)： “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(jī)理。 . Jiang和 Dai代表性論文 5進(jìn)一步解釋了剪切帶內(nèi)動(dòng)態(tài)應(yīng)變率導(dǎo)致的局部瞬態(tài)溫升，這會(huì)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(qiáng)，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(shí)驗(yàn)的證實(shí) 27-29.”，其中 28 是代表性論文 4。英國(guó)劍橋大學(xué) A.L. Greer 教授和美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué) E. Ma 教授在代表性引文【 6】用 1 個(gè)多頁(yè)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(píng)價(jià)：“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(duì)剪切帶起重要影響。他們的模型 .。一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)（ A key merit）是不同的因素可以單獨(dú)進(jìn)行建模分析。 .從這個(gè)連續(xù)介質(zhì)

12、模型可以得出重要的一點(diǎn) （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(zhǎng)與上述方程（ 4）對(duì)熱的簡(jiǎn)單描述幾乎一致 .”。德國(guó)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(píng)述： “一般來講，剪切帶起始于局部的軟化區(qū)域，軟化機(jī)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(guó)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(diǎn)： “一個(gè)重要的突出問題（ An important

13、outstanding question）是這兩個(gè)長(zhǎng)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(duì)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(cè) 是一致的 .25”，從而驗(yàn)證了該項(xiàng)目關(guān)于非晶剪切帶厚度的理論預(yù)測(cè)。發(fā)現(xiàn)點(diǎn)三： 非晶合金剪切帶誘致斷裂機(jī)理。代表性引文【 4,8】美國(guó)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(píng)價(jià)（代表性引文 8）：“對(duì)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(shí)驗(yàn)和模擬支持 代表性論文 8， 35-38.”。日本東北大學(xué)原校長(zhǎng) A. Inoue 院士、英國(guó)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。例如，他們?cè)u(píng)價(jià) （Scripta Mater. 2009）：“正如 Jiang et al. 代表性論文 8指出，兩個(gè)重要的尺度決

15、定了斷裂形貌的長(zhǎng)度尺度：裂尖曲率半徑R 和彎月失穩(wěn)的臨界波長(zhǎng) 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(píng)價(jià)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(diǎn)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(cè)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的納米周期條痕尺度，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)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(guó)科學(xué)院中國(guó)科學(xué)院委員會(huì)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(guó)科學(xué)院中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所力學(xué)研究所蔣敏強(qiáng)三無研究員中國(guó)科學(xué)院中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所力學(xué)研究所材料科學(xué)與中國(guó)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(zhǎng)陳艷五無副研究員中國(guó)科學(xué)院中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所力學(xué)研究所對(duì)本項(xiàng)目貢獻(xiàn)：第一完成人戴蘭宏： 發(fā)展了位錯(cuò)機(jī)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(duì)熱塑剪切帶形成具有驅(qū)動(dòng)作用；建立了表征非晶合金自由體積熱粘塑性剪切流動(dòng)

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(jī)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(qiáng)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(dòng)的統(tǒng)一理論框架，分析了非晶剪切帶的失穩(wěn)機(jī)制，是代表性論文 1-4的主要作者。第三完成人蔣敏強(qiáng)： 對(duì)重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)點(diǎn) 2 和 3 做出了創(chuàng)造性貢獻(xiàn)：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(jī)制，參與了非晶剪切帶協(xié)同演化模型的建立以及機(jī)理分析，得到了理論預(yù)測(cè)非晶剪切帶厚度的解析表達(dá)；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(jī)制。第四完成人劉龍飛： 實(shí)驗(yàn)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(jī)