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华南理工科研团队研究成果揭示局部化学涨落对多主元合金动态力学响应的影响

时间:2021-10-22单位:土木与交通学院浏览量:21

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  10月13日,华南理工大学土木与交通学院姚小虎教授研究组在金属材料顶级期刊Acta Materialia在线发表论文“Role of local chemical fluctuations in the shock dynamics of medium entropy alloy CoCrNi”。该研究工作使用混合蒙特卡洛/分子动力学方法以及大规模的分子动力学模拟,以晶格畸变和化学短程序作为切入点,对单晶和多晶CoCrNi在冲击加载下的力学行为、缺陷演化和层裂破坏特征进行了研究。该研究有助于通过调控多主元合金的局部化学环境,改善其在极端条件下的力学性能。

  多主元合金利用多种元素带来的较高的构型熵、晶格畸变和迟滞扩散等效应,突破了传统合金的设计思路,在抗腐蚀、抗疲劳以及高压高应变的极端环境中表现出较优异的性能。由多主元合金内部化学成分涨落引起的晶格畸变和化学短程序,是这类新型合金的典型特征之一,且对于缺陷演化和材料失效有重要的影响。

具有化学短程序单晶模型中的孔洞成核

  姚小虎教授团队此前已通过恒定应变速率下的原子模拟,证实了局部化学涨落对中熵合金缺陷演化的重要影响,并与准静态实验结果进行了对比。然而,它们在冲击载荷下对材料变形和层裂机制的作用尚待研究。由于局部化学涨落的影响范围在纳米量级,实验上对晶格畸变和化学短程序在动态加载中的原位表征很难实现,大尺度分子动力学模拟在预测和阐明它们对动态响应的影响和相应机理方面有独特的优势。

不同冲击速度下,孔洞的成核与演化

  通过原子模拟和晶体结构分析手段,该工作对晶格畸变和化学短程序在冲击加载下不同变形阶段的作用和各阶段之间变形机制的相关性以及由此引发的层裂破坏机理进行探讨。研究揭示了晶格畸变导致中熵合金的雨贡纽弹性极限表现出异常的各向异性。此外,晶格畸变可以通过减缓位错滑移而提高孪晶形成的可能性。在层裂阶段,化学短程序诱发的晶格失配引起较大的局部拉伸应变,导致孔洞倾向于在相应区域形核。孔洞的成核与扩展与局部微观结构密切相关。

孔洞生长及其与周围位错以及孪晶界的相互作用

  近年来,姚小虎教授课题组围绕新型先进金属材料在极端服役环境下的动态力学行为和破坏机理开展研究,相关研究成果已持续在固体力学和材料顶级期刊发表,在该研究领域产生了积极影响。

  本研究为华南理工大学姚小虎教授课题组联合太原理工大学王志华教授,与美国加州大学圣芭芭拉分校Irene J. Beyerlein教授课题组开展的合作成果。华南理工大学博士生谢卓成为第一作者,合作作者还包括加州大学圣芭芭拉分校博士生简武荣(共同通讯作者)、Shuozhi Xu博士以及华南理工大学张晓晴教授。该工作得到了国家自然科学基金杰出青年基金和面上项目基金的支持。


附1:本研究论文链接

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542100759X

  2:相关论文链接

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420306492

  3:团队介绍:

  华南理工大学姚小虎教授研究团队秉承“立足国家战略需求,聚焦前沿,开放包容“的研究思想,与美国阿拉莫斯国家重点实验室、加州大学圣芭芭拉分校、普渡大学、南加州大学、德州农工大学等国内外多家单位联合开展多项研究工作,研究领域主要涉及非晶合金、多主元合金、碳化硅陶瓷、航空透明材料、聚合物软材料、碳纤维复合材料等在强动载下的变形、损伤和破坏机理。相关研究成果已在Journal of the Mechanics and Physics of Solids、International Journal of Plasticity、Acta Materialia、Carbon、International Journal of Impact Engineering等固体力学和材料领域顶级期刊上发表。

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