考虑非均匀结构效应的金属材料剪切带-中国科学院力学研究所

一、提名项目：考虑非均匀结构效应的金属材料剪切带
二、提名意见：
该项目以颗粒增强金属基复合材料和非晶合金为模型系统，突破经典的热塑剪切带理论框架，发展了位错机制依赖的应变梯度本构，揭示了蕴含的非均匀结构通过应变梯度效应对热塑剪切带形成具有强烈驱动作用；建立了包含多过程耦合与时空多尺度的剪切带新理论，澄清了非晶合金剪切带形成机制长期广泛的国际争议，得到了剪切带失稳判据、协同演化、特征厚度以及诱致断裂机理等一系列原创性成果。

该项目8篇代表性论文共被《Nature Materials》、《Physical Review Letters》、《Progress in Materials Science》等SCI重要刊物他人引用393次，引用者包括国内外科学院或工程院院士、权威杂志主编、领域知名学者等。

项目研究成果系统揭示了材料内禀非均匀结构效应如何影响甚至颠覆热塑剪切带的传统认知，显著推动了剪切带理论的发展，在国际上产生了重要的学术影响。

提名该项目为国家自然科学二等奖。

三、项目简介
剪切带是一类广泛存在的塑性变形局部化失稳现象。

本征上，具有特征厚度的剪切带是一种远离平衡态的动态耗散结构，其涌现与演化是材料内部多种速率依赖耗散过程高度非线性耦合控制的时空多尺度问题。

传统金属材料剪切带经百余年研究，逐渐形成了以热软化为主控机制的热塑剪切带理论，并获得了广泛的应用。

随着人们对高性能材料的不懈追求，众多内蕴微纳尺度非均匀结构的新型金属材料不断发展，其中代表性的有微米尺度颗粒增强的金属基复合材料和纳米尺度结构非均匀的非晶合金。

由于不考虑材料结构效应，经典热塑剪切带理论在描述这些新型金属材料的剪切带行为时，遇到了前所未有的挑战。

为此，该项目团队以颗粒增强金属基复合材料和非晶合金为模型材料，研究了材料内禀的非均匀结构效应如何影响甚至颠覆热塑剪切带的传统认知，显著推动了剪切带理论的发展，形成了具有鲜明特色的系统性的原创研究成果。

主要发现点如下：
（一）、发展了颗粒增强金属基复合材料应变梯度依赖的热塑剪切带理论。

实验发现微尺度增强颗粒对金属基复合材料塑性变形具有强化和剪切带软化“正、反”尺寸效应，通过发展计及应变梯度效应的热塑剪切带理论，揭示了颗粒尺寸作为内禀结构效应对金属基复合材料热塑剪切带形成具有强烈驱动作用；
（二）、建立了内蕴非均匀结构效应的非晶合金剪切带新理论。

构建了非晶合金自由体积－热－粘塑性剪切流动的理论框架，得到了具有明确物理内涵的剪切带失稳判据和特征厚度的解析表达，揭示了非晶合金剪切带形成的结构软化主控、热软化辅助的新机制，阐明了多重剪切带协同演化动力学规律；
（三）、提出了一种新的原子团簇运动模型—“拉伸转变区”，澄清了非晶合金剪切带诱致断裂过程中的能量耗散机制：裂尖剪切主控“剪切转变区”和体胀主控“拉伸转变区”两个耦合元过程的固有竞争。

上述工作的8篇代表性论文被SCI他引393次。

引用者包括块体非晶合金领域开创者之一、日本学士院院士和美国工程院院士A. Inoue，欧洲科学院院士、德国科学院院士和美国工程院外籍院士H. Gleiter，美国工程院院士和中国科学院外籍院士高华健，中国科学院汪卫华院士，Albert Sauveur成就奖获得者美国加州大学M.A. Meyers教授，《Philosophical Magazine》主编英国剑桥大学A.L. Greer教授等。

研究成果得到大量后续研究证实，不仅在国内外学术界产生重要影响，而且得到国外军事研究机构的关注。

非晶剪切带成果已成为领域经典工作之一，被多篇权威综述文章作为独立一节长篇幅引用，并作为独立一章《Shear-banding in metallic glasses》发表在英国帝国理工学院Dood教授和第二完成人合著的剪切带专著《Adiabatic Shear Localization》第二版中。

基于该项目成果，第一完成人于2007年获得国家杰出青年科学基金资助，2009年入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选。

第三完成人于2008年获得首届英国麦克斯韦青年作者奖。

四、客观评价
发现点一：颗粒增强金属基复合材料应变梯度依赖的热塑剪切带理论。

代表性引文【1,2,3】
复合材料力学领域著名学者新加坡国立大学M. Gupta教授、S.P. Joshi教授等系列文章中大量引用代表性论文【1】中提出的机理和理论公式，用于解释他们的实验现象。

比如，在代表性引文【1】中：“屈服应力的提高可用以下方程估算[代表性论文1]，......根据Taylor位错强化机理，这些应力可被确定如下[代表性论文1].......”；Acta Mater 55 (2007) 5115中：“几何必须位错增加的详细推导可参考[代表性论文1]，具体表达为：...... .”。

瑞典皇家理工学院P. Gudmundson教授在代表性引文【2】中：“通过考虑间接和直接强化，应变梯度理论可耦合进增量细观力学框架。

从而，实验观察到的金属基复合材料颗粒尺寸依赖的非弹性变形行为可被预测[代表性论文1].”。

《国际损伤力学杂志》主编美国加州大学J.W. Ju教授等（Int. J. Damage Mech 2011；附件7-9）：直接引用[代表性论文1]的实验图1；“根据（By following）代表性论文1，热失配产生的位错密度可估算为....。

通过引入初始粒子的体积分数，可考虑以下增量形式（参见代表性论文1）：...... .”。

芬兰坦佩雷理工大学K. Valtonen教授等在代表性引文【3】中：“观察到的绝热剪切带对于本文的金属基复合材料具有重要作用。

发现十分小的增强颗粒尺寸[代表性论文2]（~5-15μm）会影响白色绝热剪切带的形成，...... .”。

加拿大曼尼托巴大学N. Bassim教授等（Mater. Sci. Eng. A 2014；附件7-10）：“ Owolabi等[20]和Dai等[代表性论文2]研究了颗粒增强金属基复合材料中颗粒尺寸对绝热剪切带形成的影响，发现小颗粒增强的复合材料更易于形
成绝热剪切带。

Dai等将这种尺寸依赖行为归因于应变梯度效应，认为高应变梯度是绝热剪切带形成的强驱动力.”；（Mater. Sci. Eng. A 2007；附件7-10）:“冲击后材料的微结构演化也证实铝基复合材料比单相合金更容易热塑失稳而应变局部化。

这些结果和Dai等[代表性论文2]的观察一致，即高应变梯度是绝热剪切带形成的强驱动力.”。

发现点：内蕴非均匀结构效应的非晶合金剪切带新理论。

代表性引文【4,5,6,7】
美国乔治亚理工学院N.N. Thadhani教授在代表性引文【4】这样评价：“Jiang 和Dai[代表性论文5]揭示了剪切带失稳的自由体积起源。

他们解释了自由体积软化和经典的热软化可导致完全不同的剪切带机理。

…... Jiang和Dai[代表性论文5]进一步解释了剪切带内动态应变率导致的局部瞬态温升，这会加速自由体积的净产生，从而有利于自由体积软化为起源的剪切带失稳.”。

日本东京大学H. Tanaka教授在代表性引文【5】中：“这种剪切带内密度涨落的增强，更确切地是自由体积的聚集，已经得到非晶合金单轴压缩实验的证实27-29.”，其中28是代表性论文4。

英国剑桥大学A.L. Greer教授和美国约翰霍普金斯大学E. Ma教授在代表性引文【6】用1个多页面、3幅原图，详细介绍并充分肯定了代表性论文5关于剪切带形成过程中热和自由体积相互作用的结果。

他们这样评价：“正如Jiang 和Dai所全面揭示（comprehensively demonstrated）的那样。

即使热不是非晶合金中剪切局部化的起源，它也必将对剪切带起重要影响。

他们的模型......。

一个重要的优点（A key merit）是不同的因素可以单独进行建模分析。

......从这个连续介质模型可以得出重要的一点（A key point）是，一旦有热产生，温度将随着应变持续升高。

这种耦合模式下的近似线性增长与上述方程（4）对热的简单描述几乎一致.”。

德国莱布尼茨固体材料研究所J. Eckert教授和中科院物理所汪卫华院士等【Acta Mater. 2012；附件7-11】评述：“一般来讲，剪切带起始于局部的软化区域，软化机制可以归因于局部热影响[30-32] 或者剪胀（自由体积产生）[11-13] 或者两者的耦合[代表性论文5] .”。

美国布朗大学高华健院士等在代表性引文【7】中将代表性论文7作为他们的研究出发点：“一个重要的突出问题（An important outstanding question）是这两个长度尺度，即STZ尺寸和剪切带厚度，是否以及如何相互关联的.25”。

在文章结尾，他们这样总结：“有趣的是，我们发现对于三种玻璃的剪切带厚度和STZ特征尺度的比例几乎保持恒定，为8。

这也和剪切带厚度大致等于10倍STZ尺寸的观测是一致的.25”，从而验证了该项目关于非晶剪切带厚度的理论预测。

发现点三：非晶合金剪切带诱致断裂机理。

代表性引文【4,8】
美国加州大学C.H. Rycroft教授和以色列威兹曼科学院E. Bouchbinder教授评价（代表性引文8）：“对于多组分低冷速的块体非晶合金，裂纹成核不大可能与流体弯月失稳相关，而很可能是裂尖孔洞成核[代表性论文8]。

后者最近已经得到实验和模拟支持[代表性论文8，35-38]...”。

日本东北大学原校长A. Inoue院士、英国剑桥大学A.L. Greer教授等合作的系列论文中【Scripta Mater. 2009 & 2010; Intermetallics 2011; Acta Mater. 2012；附件7-12】重点阐述了代表性论文8提出的非晶断裂韧脆转变准则，来解释他们的实验现象。

例如，他们评价（Scripta Mater. 2009）：“正如Jiang et al. [代表性论文8]指出，两个重要的尺度决定了断裂形貌的长度尺度：裂尖曲率半径R和弯月失稳的临界波长λc。

R依赖于断裂模式。

…虽然数值上有些差异，但是基本思想是一致的”。

印度理学院U. Ramamurty院士等在【Acta Mater. 2009；附件7-13】中大篇幅引用并阐述TTZ模型，在文中评价到：“特别地，Jiang et al.[代表性论文8]把非晶合金中观察到的准解理断裂拟想成TTZ的结果。

... 这一点在本文的韧脆转变框架中极为重要（paramount importance）。

...”。

香港理工大学K.C. Chan教授和中科院物理所汪卫华院士等在【Acta Mater. 2008；附件7-14】中，直接引用代表性论文8提出的TTZ模型及理论方程预测实验观测的纳米周期条痕尺度，发现预测值与实验值非常接近（“very close to”）。

五、代表性论文
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 particle 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 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 banding 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 shear
bands in bulk metallic glasses/ International Journal of Plasticity/ 2013, 50: 18-36.
7. M. Q. Jiang, W. H. Wang, L. 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 Magazine/ 2008, 88: 407-426.
六、主要完成人情况
姓名排名行政职务技术职称工作单位完成单位
戴兰宏一力学所学位
委员会主任
研究员
中国科学院
力学研究所
中国科学院
力学研究所
白以龙二无研究员/院士中国科学院
力学研究所
中国科学院
力学研究所
蒋敏强三无研究员中国科学院
力学研究所
中国科学院
力学研究所
刘龙飞四材料科学与
工程学院副
院长
副教授湖南科技大学
中国科学院
力学研究所
陈艳五无副研究员中国科学院
力学研究所
中国科学院
力学研究所
对本项目贡献：
第一完成人—戴兰宏：发展了位错机制依赖的应变梯度本构，揭示了内禀结构尺寸/应变梯度效应对热塑剪切带形成具有驱动作用；建立了表征非晶合金自由体积－热－粘塑性剪切流动的统一理论框架，得到了剪切带失稳判据、协同演化、特征厚度以及诱致断裂机理等一系列原创性成果。

是代表性论文[1]-[8]的通讯作者兼[1]和[2]的第1作者。

第二完成人—白以龙：为颗粒增强金属基复合材料和非晶合金的剪切带分析提供理论指导，参与建立了应变梯度依赖热塑剪切带理论和非晶合金自由体积－热－粘塑性剪切流动的统一理论框架，分析了非晶剪切带的失稳机制，是代表性论文[1]-[4]的主要作者。

第三完成人—蒋敏强：对重要科学发现点2和3做出了创造性贡献：澄清了非晶合金剪切带耦合软化过程中自由体积和热的相互作用机制，参与了非晶剪切带协同演化模型的建立以及机理分析，得到了理论预测非晶剪切带厚度的解析表达；提出了“拉伸转变区”模型与韧脆转变准则，澄清了非晶剪切带诱
致断裂过程的能量耗散机制。

第四完成人—刘龙飞：实验发现了应变率、自由体积和温度等是影响剪切带形成的主要因素，分析了非晶剪切带的失稳机制，参与了颗粒增强金属基复合材料热塑剪切带的实验研究与机理分析。

第五完成人—陈艳：发展了非晶合金多重剪切带协同演化理论模型，构建了样品尺寸依赖的剪切带形核-扩展能量耗散竞争图谱。

七、完成人合作关系说明
从1992年9月至1996年8月，第一完成人作为第二完成人的博士研究生，在其指导下开展金属基复合材料热塑剪切带形成机制的研究；从2005年9月至今，第三完成人先后作为第一完成人的博士研究生和团队成员，在其指导下开展非晶合金剪切带及其诱致断裂行为的研究；从1999年9月至2006年12月，第四完成人先后作为第一完成人和第二完成人联合指导的硕士、博士研究生，开展金属基复合材料热塑剪切带和非晶合金剪切带行为研究；从2007年9月至今，第五完成人先后作为第一完成人的博士研究生和团队成员，在其指导下开展非晶合金多重剪切带行为的研究。

完成人合作关系情况汇总表
序号合作方式合作者合作时间合作成果证明材料备注
1 论文合著戴兰宏、刘龙
飞、白以龙1992年9
月-2006
年12月
Effect of
particle size
on the
formation of
adiabatic
shear band
in particle
reinforced
metal
matrix
composites
代表性论文
2
2 论文合著蒋敏强、戴兰
宏2005年9
月-至今
On the
origin of
shear
banding
instability in
metallic
glasses
代表性论文
5
3 论文合著陈艳、蒋敏
强、戴兰宏2007年9
月-至今
Collective
evolution
dynamics of
multiple
shear bands
in bulk
metallic
glasses
代表性论文
6。