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
剪切变变形机理对金属材料力学性能的影响研究
剪切变变形机理对金属材料力学性能的影响研究剪切变形在工业生产中是一种普遍应用的工艺方法。
通过将金属材料用剪切力进行变形，可以使其具有所需的形状和性能。
但在实际应用中，金属材料的力学性能很大程度上受到剪切变形机理的影响。
因此开展力学性能与剪切变形机理的研究，对于优化材料设计以及提高工艺效率具有重要意义。
一、剪切变形机理剪切变形是指物体在施加一定切应力的情况下，产生形变的一种变形方式。
在剪切变形过程中，金属材料分子之间会发生相对移动，从而形成了新的晶界，这些晶界成为晶粒。
晶粒大小和分布均匀程度是金属材料在剪切变形中的重要参数，也被认为是影响金属力学性能的重要因素之一。
二、剪切变形的影响因素剪切变形的影响因素是多方面的。
其中包括金属材料的成分、加工过程、应变率以及温度等。
这些因素对于金属材料晶粒大小和分布均匀程度都有很大影响，从而影响了其力学性能。
（一）成分金属材料的成分是影响其晶粒大小和分布均匀程度的重要因素之一。
不同成分的金属材料在剪切变形时，其微观结构和晶界数量都可能会发生改变，从而对晶粒大小和分布均匀程度产生影响。
有些金属材料成分含有复杂的金属合金和其他元素，这些复杂的成分可能导致剪切变形后晶粒尺寸难以维持。
（二）加工过程加工过程是金属材料受到剪切变形的一个重要因素。
不同剪切机理会产生不同的剪切应力，剪切应力对金属材料的剪切切位能和晶界能量是具有很大影响的。
在加工过程中，金属材料在剪切变形过程中还会遭受不同程度的变形、断裂等压力，这也会对其晶粒大小和分布均匀程度产生影响。
（三）应变率应变率也是影响金属材料晶粒大小和分布均匀程度的一个重要参数。
对于较低的应变率，金属材料的晶粒大小会逐渐增大，同时分布也会变得更加均匀。
然而，对于较高的应变率，则可能会导致金属材料表面的晶粒呈现出剪切带效应，从而产生不均匀的晶粒大小和分布。
（四）温度温度也是影响金属材料晶粒大小和分布均匀程度的一个重要因素。
对于高温度下的金属材料，在剪切变形时晶粒会逐渐变大；对于低温度下的金属材料则晶粒可能会缩小。
金属与粉末冶金
金属与粉末冶金作者：暂无来源：《新材料产业》 2018年第6期艾姆斯实验室可预测高熵合金元素的出现范围美国能源部的艾姆斯实验室开发了一种计算分析方法，可以帮助预测尚未制成的高熵合金的成分和性能。
高熵合金由4种或4种以上的元素组成，因其具有结构简单、在很宽的温度范围内具有出色的机械性能、更好的抗氧化性或耐腐蚀性而备受追捧。
高熵合金的发展可能会提升喷气式发动机的性能和燃油效率，以及极端环境下使用的机械部件在其他工业领域的应用。
(中国航空工业发展研究中心)“先进稀土材料制备及应用技术( 二期)”重大项目课题通过技术验收科技部高技术中心在沈阳组织“十二五”“863”计划新材料技术领域“先进稀土材料制备及应用技术（二期）”重大项目课题“高效稀土改性纳米耐硫变换催化剂和净化剂产业化关键技术及应用”技术验收会。
课题针对轻稀土的高值高效利用的重大科技需求，围绕我国化工行业高浓度一氧化碳的高效利用和转化等问题，利用稀土的特殊功能性，以开发高性能耐硫变换催化剂和净化剂及成套技术为目标，在稀土改性镁铝尖晶石载体、系列稀土改性一氧化碳耐硫变换催化剂和净化剂，以及基于高性能的耐硫变换催化剂和净化剂的制氢技术及产业化等方面取得了系列创新性成果，实现在低温条件下规模生产出高比表面积和高抗水合性能的镁铝尖晶石载体，发明了系列一氧化碳转化率可调控生产的系列耐硫变换催化剂及绿色生产新工艺，开发出催化剂易装填、安全可控的高浓度一氧化碳梯级耐硫变换制氢成套技术。
验收专家组认为该课题超额完成了规定的考核目标和技术指标，对项目取得的研发成果和应用成效给予了充分肯定，同时建议加快系列催化剂和净化剂的规模化推广。
（科技部）我国纳米金属稳定性研究取得重要突破中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心卢柯院士团队在纳米金属稳定性研究领域取得重要突破。
目前，金属纳米材料作为纳米材料的重要分支，已成为全球材料科学与工程研究热点。
金属晶粒细化至纳米尺寸，可以大幅度提高其强度和硬度，但引入了大量晶界使纳米金属材料的结构稳定性变低。
金属与粉末冶金
Advanced Materials Industry94日本计划大幅提高稀土储备日本政府将强化用于电动汽车等工业产品所需的稀有金属储备制度。
目前日本的稀有金属储备是保证60天的国内消费量，今后准备扩大至6个月以上。
稀有金属对于日本的尖端产业而言是不可或缺的，但目前对中国等特定国家的稀土存在严重依赖。
工业需要的稀有金属日本几乎全部需要进口。
比如电动汽车发动机磁铁等所需要的稀土约6成进口自中国。
日本现行的稀有金属60天用量储备制度于1986年设定。
日本政府准备采取较为灵活的方式储备稀有金属，如重要性较高的稀有金属确保半年以上的储备量，而重要性较低的则维持在60天以下的储备量。
为了避免对市场价格造成影响，日本政府将不会公布具体的储备量。
（环球日报）加拿大萨省将建立国内第一座稀土加工厂加拿大萨斯喀彻温省宣布，将斥资3 100万加元修建一处稀土加工厂，旨在促进国内军用武器、电动汽车和智能手机关键原料的供应，以实现其2030年增长计划的关键要素。
这将是加拿大首例此类项目，预计将成为未来稀土商业扩张的行业模型。
这座工厂将在2022年底全面投入运行。
（中国矿业报）新型绿色环保稀土指甲油面世中科院包头稀土研发中心信息显示，该中心将稀土着色剂科技成果应用于稀土指甲油中，经过项目前期课题组研发指甲油配方、调试指甲油、确定指甲油配方用量及加入顺序，使稀土颜料粉能够均匀分散在溶剂中。
与此同时，利用沙蒿胶和水代替传统指甲油中有毒的成膜物质和溶剂，既解决了稀土镧铈元素的堆积问题，又能够开发出产品绿色、工艺环保、附着力强、成膜迅速的指甲油，具有广阔的市场前景和经济效益。
目前，课题组正对工艺技术进行改进升级，指甲油的光泽性、防沉性、防水性、耐磨性和环保性将逐步得到有效提升。
（中国有色金属报）新型纳米镁合金研究获进展中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心大湾区研究部研究员吕坚及其合作者，在先前发现非晶包裹纳米晶的超纳双相镁合金可实现近理论强度的基础上，以AZ31合金为研究对象，使用SMAT在镁合金表面得到梯度纳米晶，通过磁控溅射在合金表面沉积镁（Mg）基双相金属玻璃薄膜（Mg—Zn—Ca），将纳米双相金属玻璃与梯度纳米晶结构结合起来，设计出全新多级结构镁合金。
梯度纳米结构铁高应变率变形的力学性能和微观机理研究
梯度纳米结构铁高应变率变形的力学性能和微观机理研究陈萍1)，袁福平，武晓雷（非线性力学国家重点实验室，中国科学院力学研究所，北京100190)摘要：纳米晶金属具有高强度低塑性的特点，通过对梯度纳米结构金属的研究发现，由于应变局部化被抑制，梯度纳米结构材料能够实现强度与塑性的良好匹配，具有较高的研究意义。
本文利用表面机械碾磨处理(Surface Mechanical Grinding Treatment, SMGT)方法制备了梯度纳米结构铁，通过准静态压缩以及分离式霍普金森压杆动态压缩实验，研究了梯度纳米结构铁的塑性变形行为，并与粗晶铁的塑性变形行为作对比。
研究结果表明：相同应变率下，相比粗晶铁，梯度纳米结构铁具有较高的强度、较高的流动应力、较低的加工硬化能力和较低的应变率敏感性；梯度纳米结构铁流动应力的大小随着应变率的增加而增加，同时在动态条件下材料出现软化行为；与纳米晶铁不同的是梯度纳米结构铁在动态压缩条件下并没有形成绝热剪切带，这是由于加工硬化率下降速度减缓了，与纳米晶铁相比梯度纳米结构铁还是具有较好的加工硬化能力。
研究结果可为理解BCC梯度纳米结构金属高应变率变形的微观机理提供依据。
关键词：梯度纳米结构铁；表面机械碾磨处理；高应变率变形；分离式霍普金森压杆引言与粗晶金属相比，超细晶/纳米晶金属具有许多优越的力学性能，比如高强度的特性[1-2]，这是由于纳米晶位错滑移被晶界阻碍所造成的。
但是由于存储位错的能力低，超细晶/纳米晶金属同时具有较低的加工硬化能力和塑性/韧性，这一特性在动态条件下更为明显，其中一个主要原因就是绝热剪切带的形成[3-7]。
为了提高纳米晶的塑性，提出了梯度纳米结构的概念。
把纳米晶铜薄膜粘附在基体上可以增加纳米晶的均匀拉伸伸长率，但弹性不匹配以及界面的相互作用使得材料均匀拉伸伸长率只提高到10%[8]。
卢柯课题组也提出表面为纳米晶，心部为粗晶，中间为过渡晶粒的梯度材料[9]。
非晶态合金的局域剪切变形与断裂机制
第25卷 第1期Vol 25 No 1材 料 科 学 与 工 程 学 报Journal of Materials Science &Engineering总第105期Feb.2007文章编号:1673-2812(2007)01-0132-07非晶态合金的局域剪切变形与断裂机制贺自强1,王新林2,全白云2,张羊换2,赵小龙2,王 鑫2(1.北京航空材料研究院,北京 100095;2.钢铁研究总院,北京 100081)摘 要 从自由体积模型、绝热剪切模型、位错模型及力学模型等方面全面综述了非晶态合金的局域剪切变形与断裂机制,提出了 自由体积+绝热升温 模型并解释了合金的变形与断裂过程,最后简要讨论了该领域目前存在的问题及今后的发展趋势。
关键词 非晶态合金;局域剪切变形;断裂中图分类号:TG139+.8 文献标识码:AMechanisms of Localized Shear Deformation and Fracture inAmorphous AlloysHE Z-i qiang 1,WANG Xin -lin 2,QUAN Ba-i yun 2,ZHANG Yang -huan 2,ZHAO Xiao -long 2,WANG Xin2(1.Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China;2.Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China)Abstract Mechanisms of localized shear deformation and fracture in amorphous alloys are summarized based on free volu me model,adiabatic shear model,dislocation model and mechanics model.A new model of free volume+adiabatic heating is proposed and applied to explain the deformation and fracture behavior of amorphous alloys.Furthermore,some problems and new directions in the aforementioned field are discussed briefly.Key w ords amorphous alloys;localized shear deformation;fracture收稿日期:2006-03-20;修订日期:2006-05-29作者简介:贺自强(1966-),男,陕西岐山人,高级工程师,博士,主要研究领域为非晶态合金、物理冶金。
结构钢中绝热剪切带形成与扩展的光学观测与数值模拟
结构钢中绝热剪切带形成与扩展的光学观测与数值模拟陈思颖;黄晨光;孔卫国;倪国强【期刊名称】《高压物理学报》【年(卷),期】2010(024)001【摘要】绝热剪切带(Adiabatic Shear Band,ASB)是许多金属材料在冲击载荷作用下发生破坏的主要原因之一,它是近年来冲击动力学和损伤力学研究的前沿和热点.相关的理论研究主要针对一维剪切条件,分析应力、应变、剪切速度、材料热物理和力学性能、初始缺陷大小之间的关系,得到一个由多个物理量组合而成的量来判别材料出现剪切带的难易.ASB的实验主要利用Hopkinson压杆、扭杆、压剪炮等加载技术,研究钛合金、钨合金、高强结构钢等材料的剪切带特征,包括局部温度和变形分布、剪切带出现的阈值等.但是,对剪切带演化过程的在位观察及其动态实时演化的研究还较少见,妨碍了人们对由于剪切局部化而导致的材料破坏机理的深入认识.针对45钢,在Hopkinson压杆上,开展了不同冲击加载条件下剪切带演化过程的在位观察及可视化研究.利用自行设计的高分辨力的光学观测系统和基于数字相关理论的图像处理软件,捕捉了单一试样在冲击加载条件下ASB逐渐形成和扩展的过程.同时,利用LS-DYNA商业程序对试样的冲击压缩过程进行了数值模拟,所得主要结果与实验观测基本一致.【总页数】6页(P31-36)【作者】陈思颖;黄晨光;孔卫国;倪国强【作者单位】北京理工大学光电成像与信息工程研究所,北京,100081;中国科学院力学研究所,北京,100190;北京理工大学光电成像与信息工程研究所,北京,100081;北京理工大学光电成像与信息工程研究所,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】O347.3【相关文献】1.应用于低对比度扩展目标观测的大型阵列太阳自适应光学电子系统的设计与实现[J], 费玮玮;王长清;刘濮鲲;蔡惠智;姜爱民;唐清善2.切削高强度结构钢形成的绝热剪切带微结构观察 [J], 段春争;王敏杰3.Ti6A14V高效切削加工中绝热剪切带内微观组织演变及其形成机制 [J], 赖曲芳;付鹏;胡淑芬4.B 炸药中绝热剪切带形成机理的细观研究 [J], 韩小平;张元冲;沈亚鹏;张泰华;赵壮华5.中碳Ni-Cr-Mo钢中绝热剪切带的形成及其特征 [J], 王勇;董恩龙;张起生;苏春霞因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
国家自然科学奖 公示 考虑非均匀结构效应的金属材料剪切带
国家自然科学奖公示考虑非均匀结构效应的金属材料剪切带
国家自然科学奖公示中考虑非均匀结构效应的金属材料剪切带的研究，主要涉及到金属材料的塑性变形和断裂行为。
在金属材料的塑性变形过程中，剪切带是重要的断裂机制之一。
传统的剪切带理论主要基于均匀塑性变形假设，然而在实际的金属材料中，由于内部存在的各种微观缺陷和应力集中，剪切带往往会受到非均匀结构效应的影响。
为了更准确地描述金属材料的剪切带行为，一些研究者开始考虑非均匀结构效应。
他们通过建立非均匀结构模型，研究了非均匀结构对剪切带形成和演化的影响，并提出了相应的本构方程和断裂准则。
这些理论模型能够更好地解释实验现象，提高预测精度，对于金属材料的强度和韧性设计具有重要的指导意义。
此外，该研究领域还涉及到实验研究和数值模拟等方法。
通过这些方法，可以深入了解金属材料剪切带的微观结构和力学行为，进一步揭示其内在机制和演化规律。
总之，考虑非均匀结构效应的金属材料剪切带研究是一个重要的研究方向，它不仅有助于深入理解金属材料的断裂行为，还能为金属材料的强度和韧性设计提供重要的理论支持和实践指导。
金属材料在高应变率下的热粘塑性本构模型
第16卷第4期2004年12月弹道学报Jour nal of balli sti cs Vol .16No .4D ec .2004收稿日期=2003-12-09%国家自然科学基金资助项目<50271075>及山西省自然科学基金资助项目<20011003>金属材料在高应变率下的热粘塑性本构模型程国强 李守新中国科学院金属研究所材料科学国家实验室,国际材料物理中心,沈阳110016 太原理工大学应用力学研究所,太原<>030024摘要提出了一种考虑应变强化!应变率强化!热软化效应及材料损伤的本构模型"通过在Johnson-Cook 热粘塑性本构关系中增加一个随应变增大应力减速小的软化项"反映材料的损伤.该模型可以很好地预测材料的整个变形过程"同时提供了一个确定软化项系数的简单方法.关键词热粘塑性"本构模型"高应变率"损伤中图分类号T J012.4材料变形中能承受的最大流动应力及失效应变都是重要参数.金属材料的流动应力不仅依赖于应变,而且依赖于应变率和温度.随着应变及应变率的增加,流动应力增加,同时由于变形产生的热使温度升高,流动应力减小.事实上,随着应变值增大,材料内部的微结构会有显著变化并在夹杂物周围生成空洞使韧性损伤扩展.如果用均质化后的连续介质代替空洞化的材料,为反映其总体膨胀和内部损伤就需要引入塑性可膨胀性及应变软化效应[1].为了描述金属材料在高应变率大应变下的变形行为,文献[2^4]曾建议了许多种模型与本构关系,其中在冲击~侵彻~机加工等高应变率大应变过程中,经常选用Johnson-Cook <J C >热粘塑性本构关系[2]=6=[A +B <E p >n ][1+C l n <~E p /~E p 0>]<1-T %m ><1>式中,6为等效流动应力,E p 为等效塑性应变,A ~B ~n ~C 和m 是材料常数,~E p 0为参考应变率,无量纲温度T %=<T -T 0>/<T m -T 0>,T 0为参考温度,T m 为材料的熔点.该方程在许多方面有过成功的应用,不过并没有反映材料损伤对本构行为的影响.事实上由于缺陷或夹杂几乎是不可避免的,材料整体的等效塑性应变刚发生时,在缺陷或与基体结合较弱的夹杂处就会形成空洞,进而引起其周围基体产生次级空洞.也就是说从等效塑性应变一开始就会有材料的损伤,不过应变硬化此时还占有主导地位,随着次级空洞的不断聚积,硬化程度逐渐减弱.当次级空洞聚积到一定程度后,应力达到一个极大值,而后损伤及由于塑性变形产生的热一起使得软化开始,直至材料失效.本文试图通过在Johnson-Cook 热粘塑性本构关系中,增加一个随应变增大应力减速小的软化项,以反映材料的损伤.第4期程国强等金属材料在高应变率下的热粘塑性本构模型1模型为了反映材料的损伤,将Johnson-Cook 热粘塑性本构关系修改为=6=[A +B <E p >n -B 1<E p >n 1][1+C l n <~E p /~E p 0>]<1-T %m ><2>式中,B 1.n 1为材料常数,其它量的定义同前.为了尽量不多增加本构方程中的材料常数,假设通过动态材料性能试验已经获得某种金属材料的应力应变曲线.定义曲线中流动应力最大值对应的等效塑性应变值为E p i ns ,材料失效时对应的等效塑性应变值为E p f ail ,即E p i ns 和E p f ail 的值可以通过d 6/d E =0和6=0分别决定.如果不计热软化效应,也就是<a 6/a T %><a T %/a E >=0,根据<2>式,利用d 6/d E =0和6=0便可以得到=1-O B <E p i ns >n <O -1>=0A /B +<E p f ail >n -B <E p f ail >O n =<f L 0式中,O =n 1/n ,B =B 1/B ,化简,可得O =[<E p f ail >O n /<A /B +<E p f ail >n >][1/<E p i ns ><O -1>n ]B=[A /B +<E p f ail >n ]/<E p f ail >O n =1/[O <E p i ns ><O -1>n <f L ]<3>利用<3>式,通过简单的数值计算,就可求出B 1.n 1值.为了估计B 1和n 1对材料软化效应的影响,以钢铁材料为例进行研究.M archand 和Duff y [5]通过薄壁HY ~100钢圆柱壳的动态扭转实验,得到了室温下.应变率~E =1600s -1的HY ~100钢的动态剪应力应变曲线,如图1所示.图1HY -100钢在室温和应变率为1600s -1下的扭转应力应变曲线根据此曲线及名义剪应变与等效应变的关系,取E p i ns =0.31,E p f ail =0.7.J C 模型中钢的参数取为[7]=A =0.796GPa ,B =0.509GPa ,n =0.26,C =0.014,m =1.03,T 0=293K ,T m =1723K ,~E 0=10-4s -1,密度 =7830k g /m 3,热容C =478J /<k g -K >.由<3>式可定出O 和B 的值约为19.8和15.56,相应地,B 1=7.92GPa ,n 1=5.15.此外在高应变率大变形过程中,材料变形可以近似看作绝热过程,变形能大部分转化为热能,导致温度升高.设转化为热能的部分为90%,则有=C d T =0.96d E <4>由<2>式和<4>式通过数值计算便可得到其应力应变曲线.图2<a >和图2<b >显示了在其它参数不变只改变n 1或B 1对材料软化效应的影响.由图可知,本文提供的考虑损伤软化效应的模型能很好地反映真实材料在高应变率下的应力应变关系.Y adav 和Ra m esh [6]研究了钨合金材料的高应变率行为,通过Kolsk y 压杆上得到钨合金材料真压应力与真应变的关系曲线,如图3所示.根据这些曲线得到了Johnson-C ook 模型中钨合金材料的各参数为=A =1.093GPa ,B =1.270GPa ,n =0.42,C =0.0188,m =0.78,91弹道学报第16卷(a >n 1对软化效应的影响(B 1=7.92GPa >(b >B 1对软化效应的影响(n 1=5.15>图2n 1~B 1对材料软化效应的影响图3W /H f 复合材料的真压应力与真应变关系曲线T 0=293K T m 2850K ~E 0=10-4s -1 =17600k g /m 3 C =138J /(k g -K >.取~E =4900s -1的一种情况分析 由图3可知E p i ns =0.05 真应变达到0.4时 材料还没有失效 取E p f ail =0.5.由(3>式可定出O 和B 的值约为2.88和3.73 相应地 B 1=4.74GPan 1=1.21.根据这些参数 由Johnson-C ook 模型和本文提供的考虑软化效应的模型 得到的应力应变关系及由于变形热导致的温升与应变的关系曲线如图4所示.(a >应力-应变(b >温升-应变图4根据J C 模型及本文模型得到的钨合金材料应力~温升与应变关系曲线对钢铁材料 图5显示了由J C 模型和本文提供的考虑软化效应的模型得到的应力应变关系 及由变形热导致的温升与应变的关系曲线.由图4与图5可以看出 由于考虑了应变强化~应变率强化及热软化效应 J C 模型预测的应力应变关系在变形的初期与实际情况符合得比较好 也可以出现应力先增加并达到一个最大值 之后出现随应变增大应力减小的现象.但由于变形热导致的温升并不大 所以在材料接近失效时 应力减小的幅值也很有限.这与图1和图3所示的金属材料在高应变率下的实际行为有很大的出入.而本文提供的模型由于考虑了应力随应变增大而减小的软化项以反映材料的损伤 可以较好地反映金属材料在高应变率下的变形过程 即应力先强化 进而达到应力最大值 然后软化 最后应力迅速地向零趋近.2第4期程国强等金属材料在高应变率下的热粘塑性本构模型<a >应力-应变<b >温升-应变图5根据J C 模型及本文模型得到的钢铁材料应力~温升与应变关系曲线2结果与讨论修正的J C 模型<<3>式>可以较好地描述金属材料在高应变率大应变下的整体变形行为.然而 材料在加工或服役期间的失效在很多情况下是由流动局部化引起的.绝热剪切带的形成就是一个典型的例子.在冲击~侵彻~机加工等高应变率大应变过程中 绝热剪切局部化是一种重要的变形机制.在钢 特别是高强度装甲钢受冲击~侵彻过程中绝热剪切带更是普遍存在.最近弹丸穿甲的研究表明 7 8] 剪切带中的微结构与其周围基体的微结构有明显的不同.图6显示微裂纹在钢板中的绝热剪切带里形核.而微裂纹可以通过微孔洞的汇积形成 也就是说绝热剪切带中存在大量的微孔洞 这导致了绝热剪切带中材料的进一步软化.钨合金中发现的绝热剪切带一般比较少但比较宽 如图7所示 但根据绝热剪切带中钨合金颗粒从球形变到椭球形 可以推断在增加的界面处会引起空洞等缺陷的增加.因此 材料在高应变率作用下形成绝热剪切带的过程中 应该考虑损伤引起的软化效应.图6微裂纹在绝热剪切带中的形核和聚集图7钨合金残余弹体绝热剪切区域的微结构3结论本文提出一种考虑材料损伤的新模型 在Johnson-Cook 热粘塑性本构关系中增加一个12弹道学报第16卷随应变增大应力减速小的软化项 以反映材料的损伤.为了尽量不多增加本构方程中的材料常数 本文提供了一个确定损伤软化项系数的简单方法 计算表明该方法可以满足分析和工程的需要.参考文献1李国琛 耶纳M.塑性大应变微结构力学 M ].北京=科学出版社 19932Johnson G R Cook W H.A constit uti ve model and dat a f or m et als sub j ect ed t o l ar g e strai n rat es and hi g ht e m p erat uresA ].Pr oceedi n g s of t he S event h I nt er nati onal balli sti cs S y m p osi u m C ].Ha g ue =E MAS 1983.541-5473bai Y L.Ther mo-p l asti c i nst abilit y i n si m p l e shear J ].J M ech Ph y s Soli ds 1982 30=195-2074Zhu Z G batra R C.Shear band devel o p m ent i n a t her m all y soft eni n g vi sco p l asti c bod y J ].Co m p ut S tr uct 1991 39=459-4725M archand A Dul y J .An eX p eri m ent al st ud y of t he f or m ati on p r ocess of adi abati c shear bands i n a str uct ural st eel J ].J M ech Ph y s Soli ds 1988 36=251-2836Yadav S Ra m esh K T.The m echani ocal p r o p erti es of t un g st en !based co m p osit es at ver y hi g h strai n rat es J ].M at eri als S ci ence and En g i neeri n g 1995 A203=140-1537Duan Z @ L i S X Huan g D W.M i cr ostr uct ures and adi abati c shear bands f or m ed b y balli sti c i m p act i n st eels and t un g st en all o y f ati g ue and f ract ure of en g i neeri n g m at eri als and str uct ures J ].Fat Fract S tr uc En g M at er 2003 26=1119-11268李金泉 黄德武 段占强等.高速侵彻装甲钢绝热剪切带特性研究 弹道学报 2003 15<3>=86-91A THER Mo -VISCoPLAST I C CoNST I TUT I VE MoDELo METALLI C MATERI ALS AT H I GH STRAI N RATESChen g Guo C i an g ①②L i ShouXi n ②①Shen y an g Nati onal Laborat or y f or Mat eri als S ci ence I MR CAS Shen y an g 110016②I nstit ut e of A pp li ed M echani cs T ai y uan Uni versit y of T echnol o gy T ai y uan <>030024Abstr t A constit uti ve model consi deri n g t he eff ects of strai n har deni n gstrai n rat e har deni n g t her m al sof t eni n g and m at eri al da m a g e Wassu gg est ed .I n or der t o t ake t he eff ect of m at eri al da m a g e i nt o account astrai n sof t eni n g t er m Was added i n Johnson-Cook fl o W stress l a W.Themodel can p redi ct t he overall def or m ati on p r ocess of m et alli c m at eri al s athi g h strai n rat es .A si m p l e Wa y Was p r ovi ded t o det er m i ne t he coeffi ci ents ofsof t eni n g t er m.words t her mo-vi sco p l asti cit y constit uti vemodel hi g h strai nrat e da m a g e 22金属材料在高应变率下的热粘塑性本构模型作者：程国强， 李守新作者单位：程国强(中国科学院金属研究所材料科学国家实验室,国际材料物理中心,沈阳,110016;太原理工大学应用力学研究所,太原,030024)， 李守新(中国科学院金属研究所材料科学国家实验室,国际材料物理中心,沈阳,110016)刊名：弹道学报英文刊名：JOURNAL OF BALLISTICS年，卷(期)：2004,16(4)被引用次数：1次1.李国琛;耶纳 M塑性大应变微结构力学 19932.Johnson G R;Cook W H A constitutive model and data for metals subjected to large strain rates and high temperatures 19833.Bai Y L Thermo plastic instability in simple shear[外文期刊] 19824.ZHU Z G;Batra R C Shear band development in a thermally softening viscoplastic body 19915.Marchand A;Duly J An experimental study of the formation process of adiabatic shear bands in a structural steel6.Yadav S;Ramesh K T The mechaniocalproperties of tungsten–based composites at very high strain rates 19957.Duan Z Q;Li S X;Huang D W Microstructures and adiabatic shear bands formed by ballistic impact in steels and tungsten alloy, fatigue and fracture of engineering materials and structures[外文期刊] 2003(12)8.李金泉;黄德武;段占强高速侵彻装甲钢绝热剪切带特性研究[期刊论文]-弹道学报 2003(03)1.李风基于电磁胀环的紫铜高速率本构方程研究[学位论文]20082.李永池.王红五.江松青.朱林法.张昭宇.LI Yong-Chi.WANG Hong-wu.JIANG Song-qing.ZHULin-fa.ZHANG Zhao-yu含损伤材料的热粘塑性本构关系和柱壳破裂研究[期刊论文]-爆炸与冲击2001,21(2)3.张华.胡自化.ZHANG Hua.HU Zihua弧面凸轮等温挤压成形刚粘塑性三维有限元数值模拟[期刊论文]-热加工工艺2010,39(9)4.王庆五.杨晓光.石多奇.WANG Qing-wu.YANG Xiao-guang.SHI Duo-qi IN738LC材料Chaboche热粘塑性本构模型的隐式Euler格式[期刊论文]-航空动力学报2005,20(6)1.刘丽娟.吕明.武文革Ti-6Al-4V合金的修正本构模型及其有限元仿真[期刊论文]-西安交通大学学报 2013(7)引用本文格式：程国强.李守新金属材料在高应变率下的热粘塑性本构模型[期刊论文]-弹道学报2004(4)。
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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”）。