金属材料界面变形的原子尺度机制

This project will focus on the interface-controlled deformation in metallic materials, taking face-centered cubic metals and TiAl single crystal with nanolaminate structure as model systems. In situ transmission electron microscopy nanofabrication and multiscale nanomechanical testing will be employed to systematically investigate the atomistic mechanisms of interface-controlled deformation in metallic nanomaterials, including grain boundary, twin boundary and phase boundary. Real-time observation, high resolution quantitative analysis and molecular dynamics simulation will be conducted to uncover the microscopic mechanisms of deformation-induced interface processes, including interface-defect interaction, interface migration, strengthening-toughening mechanism, crack formation and propagation. Effects of interface structure, loading mode, title angle of interface on the interface-dominated deformation, as well as their atomistic mechanisms, will be further analyzed. By conducting this project, we hope to systematically summarize and propose the general rules governing the interface-controlled deformation in metallic materials, and to provide theoretical instructions for multiscale design of novel metallic materials with high strength and high toughness.

本项目围绕金属材料中界面主导的塑性变形问题，选取FCC金属和层状TiAl单晶合金为对象，开展原位制备和多尺度力学测试，系统研究金属纳米材料中晶界、孪晶界、相界等界面变形过程，结合原位观察、高分辨定量分析和分子动力学模拟，着重分析变形过程中界面-缺陷交互作用、界面迁移、强韧化、裂纹形成与扩展等过程的微观机制，解析界面微观结构、加载方式及界面倾斜度对变形机制的影响规律及其原子机制，系统归纳总结金属材料中界面变形的共性科学规律，为新型高强高韧金属材料的跨尺度设计提供理论依据。

界面是材料性能调控的关键结构基元，其动力学行为从根本上决定着材料的形变与损伤。然而，界面形变与损伤的原子层次动力学机制长期缺失，导致系统的界面塑性变形理论难以建立。本项目发展了新型原位制备-测试一体化方案，从界面的原子级动力学行为出发，系统阐明了界面形变和损伤的纳米力学机制，发展了材料的界面塑性变形理论，提出了界面调控微纳金属材料性能的新策略，为金属材料的界面设计与性能优化提供了新思路。主要研究成果有：（1）深入阐明了金属材料晶界变形的原子尺度动力学机制，系统构建了晶界塑性变形机制图，提出了晶界调控微纳金属材料损伤容限的新策略；（2）揭示了晶界变形能力的动态调整机制，提出了晶界-孪晶耦合演化的物理模型；（3）发现了孪晶界-位错交互作用的动力学新机理，构建了孪晶界滑移-脆性断裂转变机理图和多重孪晶形成、演化机制；（4）建立了体心立方金属的孪晶动力学机制，发展了金属材料的变形孪晶理论；（5）阐明了相界面结构、界面偏析对层状金属材料的形变和断裂的影响，为层状金属材料的界面设计和性能优化提供了重要理论依据；（6）建立了晶体缺陷与材料理化性能之间的内在联系及其原子机制，提出了界面调控纳米材料稳定性和反应动力学行为的新策略。成果填补了材料科学若干关键基础理论和技术的空白，对高性能金属材料的设计开发和性能优化具有重要意义。..成果共发表第一、通讯作者论文32篇，IF>10的11篇，包括Nature Communications（4篇）、Science Advances（3篇）、Nature Materials（1篇）等，获得了国内外学术界的高度评价，获选Science Advances网站Featured Image；授权发明专利1项；在TMS、MS&T、THERMEC、中国材料大会等做报告52次，其中邀请报告45次；获得中国腐蚀与防护学会科学技术奖一等奖（第四完成人）。依托本项目培养博士4位、硕士2位，其中2人获得“浙江省优秀毕业生”、4人获得“浙江大学优秀毕业研究生”，祝祺博士获得2020年秋季美国MRS杰出研究生银奖。基于本项目，获批国家自然科学基金面上项目等项目资助3项。..