沈阳材料科学国家研究中心-材料理论

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科学与发现

高强塑梯度纳米位错结构高熵合金

近年来，多主组元高熵合金的问世打破了传统合金设计理念，并因近乎无限的成分区间等优势彰显出广泛的应用前景。但长期制约传统金属结构材料发展的强度-塑性倒置关系在高熵合金中依然普遍存在，根本原因是其塑性变形机制与全位错主导变形传统金属材料并无本质差别。因此，迫切需要借助新颖的微观结构构筑来揭示高熵合金是否具有独特变形机制，以丰富金属材料的有效强韧化策略。

发现并命名庞压卡效应

制冷技术在当今社会工农业生产、日常生活等多个领域均起到了至关重要的作用。目前制冷主要依赖传统的气体压缩制冷技术，普遍使用具有强烈温室效应的制冷剂，直接贡献了社会总碳排放量的7.8%；而联合国统计数据表明全球每年25-30%的电力被用于制冷应用，这则意味着巨大的能源消耗。因此，要在制冷领域落实中央创新驱动发展的要求，就必须培育颠覆性技术，从源头上解决高能耗高排放的难题。特别地，当前我国高端制冷压缩机技术仍然欠缺，探索新的制冷技术方案则有望从根源上解决该技术领域的“卡脖子”问题。

材料特别是大宗结构材料发展长期依赖合金化，带来资源依赖、成本攀升、回收利用困难等问题。国研中心纳米金属科学家工作室基于前期纳米金属结构稳定性的研究结果，创新性地提出利用跨尺度调控材料中的稳定界面替代合金化，实现材料素化。

金属钝化膜击破机制研究

点蚀起始于钝化膜的局部破坏，对钝化膜的认识及探索是材料科学与工程领域中的经典问题之一。由于钝化膜非常薄（3~5nm），对其结构的直接观测极具挑战性，探究氯离子导致的结构演变则更为困难。自上世纪六十年代，材料科学家普遍采用表面谱学等间接的实验手段研究氯离子击破钝化膜的机制，提出了多种模型和假说，但尚无定论。其争论的核心问题是氯离子在钝化膜中的存在位置及作用方式。

在金属碱土单质中发现拓扑狄拉克节线量子态

金属单质铍具有十分罕见的性质，不但极轻高强，而且是优异的等离子体面向材料。与绝大多数其它金属单质不同，其表面态严重偏离近自由电子模型，并伴随着强电-声耦合效应和巨大的反常弗里德尔振荡。在过去的六十多年里，对金属铍奇异表面性质的机理探索从未停止，并引起了长期的争论。

石墨烯边界依赖的CVD生长机制

当金属材料具有纳米尺度微结构时，虽然其强度可以得到显著提高，但其塑性却因剪切带的过早出现而明显下降，导致多数纳米尺度金属材料（如纳米/超细晶金属、纳米层状金属材料等）无法拥有良好的强塑性匹配。澄清剪切带中材料容易发生高度应变局部化变形的基本物理机制对于高强高韧金属材料的发展具有重要意义。

切应力诱导纳米层状材料塑性变形能力再生机制

大尺寸高质量单晶石墨烯的制备对石墨烯在光电器件方面的应用具有极其重要的意义，但目前仍存在巨大的挑战，究其原因主要是对石墨烯的生长机制缺乏深入的理解。

宏观偏析形成理论的重大突破

宏观偏析是钢锭的重要缺陷之一，严重影响着材料组织和性能的均匀性，甚至直接决定着产品的最终质量。A形通道偏析是钢锭中一种典型的宏观偏析，且很难通过后续机加工和热处理消除，一直是冶金和重机行业难以解决的关键问题。基于以自然对流为核心的经典宏观偏析理论，目前普遍认为钢的偏析主要是由硫、磷、碳、硅、锰等元素导致的，控制偏析的主要手段便是抑制或改变这些元素引起的自然对流。而在生产实践中发现，这一理论对大尺度钢铁材料宏观偏析形成的解释存在着很大争议，而且无法有效控制偏析。

孪晶界面疲劳开裂的取向性与可控性

作为晶体材料中普遍存在的一种面缺陷，晶界对材料的力学性能(特别是疲劳性能)具有非常重要的影响，而不同种类的晶界所起的作用也不相同，这取决于晶界与位错的交互作用类型。一般来说，大角晶界阻碍位错，而小角晶界则允许位错穿过，这种交互作用的单一性使两种晶界的疲劳开裂机制表现出一定的确定性，即：无论与加载轴成何角度，大角晶界始终优先萌生疲劳裂纹，而小角晶界几乎不发生疲劳开裂。而由于两侧晶粒之间晶体学取向关系的特殊性，孪晶界面与位错的交互作用具有多样性：位错可能被塞积在孪晶界处、也可能穿过孪晶界，还有可能沿着孪晶界面滑动，因此孪晶界对材料单向拉伸变形的强塑性匹配具有特殊贡献。

体心立方金属中的形变诱发相变

体心立方(bcc)结构的金属和合金被人类广泛地应用在生产和生活当中。它们最主要的优点是在很宽的温度范围内和很大的应变状态下都表现出很高的强度，因此体心立方金属的变形行为一直以来都是物理学家和材料学家所关注的问题。但是体心立方金属的微观变形机制比较复杂，到目前为止人们对它的了解还很不透彻。金属的塑性变形通常是由位错主导的，此外也有孪晶的变形方式。在某些合金(例如TRIP钢和形状记忆合金 )中，应力诱发相变也是一种有效的变形方式，但是到目前为止还没有实验能够阐明体心立方金属在外力作用下通过相变进行塑性变形的机制。

纳米孪晶强化奥氏体钢的塑性变形机制

大量研究表明，很多钢铁材料在提高强度的同时往往会导致其塑性快速降低，即强度-塑性匹配表现为“香蕉型”倒置关系。如何改善这种强塑性关系是目前金属材料研究面临的一个重大科学难题。最近，我们通过动态塑性变形（DPD）技术结合退火热处理工艺，在粗晶奥氏体不锈钢中引入高密度的纳米孪晶晶粒，可以获得优异强塑性匹配的纳米孪晶强化奥氏体钢，其拉伸强度高达~1.0 GPa, 而均匀延伸率依然保持了~15%。显然，揭示这种新型纳米孪晶强化奥氏体钢的塑性变形机制对我们理解其力学性能至关重要。

低周疲劳损伤与寿命预测的能量模型

对于材料的疲劳损伤与寿命预测，经典的Coffin-Manson公式与Basquin公式分别选择塑性应变幅与应力幅参量进行了评价。然而，对这些经典公式中各参数物理意义的认识却十分缺乏，这大大限制了对材料疲劳损伤本质的认识。因此，针对“什么是材料疲劳损伤的本质原因，如何建立更具普适性且物理意义明确的寿命预测模型？”两个问题，国家实验室研究人员以能量作为损伤的主要参量提出了疲劳损伤滞回能模型。

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