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