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【给力三大奖】

孙军团队:“微纳尺寸化”,让金属更强韧

来源:交大新闻网 日期 2018-01-21 15:17 点击:

大家常说,“理想很丰满,现实很骨感”,金属材料的强韧化也是如此。

所谓强度,就是材料抵抗变形的能力;所谓塑性,就是材料在断裂前能够变形的程度;而韧性则是两者在一种能量耗散上的类乘积式综合度量。

但遗憾的是,金属材料的强度与塑性/韧性之间通常呈现出此消彼长的反向制约关系, 并已成为该学科发展的理论障碍和技术瓶颈。特别是金属的理论强度,或称为理想强度(无晶体缺陷的理想晶体的强度),被视作金属强度的天花板,而在达到其理想强度的同时兼具塑性更是现有金属难以企及的梦想高度。

近日,西安交大金属材料强度国家重点实验室孙军教授团队用一项历时十余年的研究成果告诉人们:微纳尺寸化,能够让金属达到其理想强度并同时兼具大的塑性。他们完成的“金属材料强韧化的内在与外在微纳尺寸效应”项目,刚刚获得2017年度国家自然科学二等奖。

面向世界科技前沿 探秘金属材料特性

“我们研究的金属结构材料已经成为人类社会发展的重要物质基础,广泛应用于航空航天、轨道交通和微电子器件等领域。”孙军教授介绍说。

伴随着微电子元器件与微机电系统(MEMS)等技术的进步,金属材料中决定其力学性能的内在特征微观组织尺寸,以及微纳器件所用金属材料的外观尺寸,相应均已减小到与其位错和孪晶等变形的各种物理载体相当的微纳尺寸范畴。原来仅依赖于材料内在微观组织、具有材料常数性质的性能指标均会表现出明显的材料外在尺寸效应,金属材料强韧化面临着新的挑战和机遇。

鱼与熊掌难以兼得,金属结构材料的强韧化亦是如此。孙军教授团队从晶体缺陷入手,巧妙利用材料强度的上述内在与外在尺寸效应,为突破这一基础性难题探索出了一条有效途径。

图1:强度与塑性/延性反向制约关系以及该项目针对三种结构材料的研究成果

金属材料的理想剪切强度是指完美晶体在发生塑性变形前所能承受的最大剪切应力。然而,由于晶体缺陷的存在,实际金属材料的强度通常比其理想剪切强度要小很多。通过深入的研究,团队发现了利用微纳尺寸金属单晶中孪晶变形抗力愈小愈强的强烈晶体外在尺寸效应,在微柱直径减小到亚微米时其最大流变应力就可以达到其理想强度值,并保有相当的压缩塑性。

图2:钛铝单晶微纳尺寸试样压缩孪晶变形的强烈晶体外观尺寸效应

随后,团队充分利用组元层厚度这一内在尺寸效应,结合其微纳柱体的外在直径尺寸效应,实现了层厚等于或小于10纳米的亚微米柱体压缩强度均可超过同成分非晶合金的理想强度,并具有超过20%的压缩塑性。

图3:多层膜微纳柱体强度的内在层厚与外在直径的耦合尺寸效应

该项目在Nature、Nature Materials等一流期刊发表的8篇代表作,被SCI他引577次。2篇论文入选ESI高被引论文,1篇入选“中国百篇最具影响力国际学术论文”,并被收入美国和德国科学家编写的3部学术专著。包括国际断裂大会50分钟主旨报告在内的国际会议特邀报告30次。获国际权威学者在Nature Materials等上正面专题评述5次。部分成果入选2010年度“中国高等学校十大科技进展”,获得教育部自然科学一等奖。

国际权威学者对该项目给予了高度评价,称该项目“颠覆了长期以来人们的直觉”,“为同步提高合金强度与延韧性提供了有效途径,是一个非常好的、精致巧妙的、典型的范例”“提供了业界一直追求的高强韧性能组合”。

团队中的青年师生也在项目的锤炼下不断成长,多人获得长江学者、国家杰出青年基金、国家优秀青年基金和青年千人等。

奋力拼搏为家国 让交大走向世界舞台

1999年,孙军获得国家杰出青年科学基金,并受聘长江学者特聘教授后,开始组织并带领团队进行相关课题的研究工作。

“当时科研条件很差,我们还没有自己专属的办公室和实验室。学校没有能力加工科研所需材料,学生们就一趟趟跑外面实验室。”实验屡次失败,虽然深受打击,但是团队成员从不轻言放弃,大家不厌其烦地一遍遍做实验,想对策、找方法,积累了丰富的经验,也磨炼了坚强的意志。

功夫不负苦心人,2010年初,孙军教授团队成功发现金属孪晶变形的强烈晶体尺寸效应,并在《Nature》上发表研究论文,实现了西安交大《Nature》论文“零的突破”。8年过去了,提到当时论文发表时的情况,孙军教授依然激动不已:“由于有时差,发表当天凌晨我就起来看文章。团队的工作能够为交大贡献第一篇《Nature》,每位成员都感到无比激动和幸福。”

一枝独秀不是春,百花齐放春满园。谈到从零开始取得成功的秘诀,孙军教授团队一致认为,这是因为团队成员都坚守着一个共同的目标:希望自己的研究成果能够被写在教科书上,被国际同行认可,让交大走向世界,让世界认识交大。

“三人行必有我师”,工科研究早已从单打独斗跨越到了学科交叉、团队合作为主的方式,合作伙伴之间的相处也是摆在每个科学家面前的课题。

“能够和这样的团队成员合作,我深感三生有幸。”对于自己所在的团队,孙军教授充满感恩。用孙军教授的话说,在交大西迁精神的滋养下,团队的每位老师都有着“革命的集体英雄主义”情节。任晓兵、单智伟、马恩和李巨等多位老师团结互助,丁向东、刘刚老师人品贵重,余倩、李苏植和张金钰等众多学生已经成长为能够独当一面的优秀青年教师。

孙军教授团队始终坚持教学相长、互相学习。团队从各方面关注年轻人在每一个阶段的切实需求,精准施策,全力以赴帮助他们实现梦想。青出于蓝而胜于蓝,作为老师,孙军教授希望自己的学生都能够超越自己,“感谢我的学生和同事们,不论是学术层面还是精神层面,我从他们身上都获益良多。”

团队青年教师张金钰在团队已经十年,从学生到老师,再到今年国家“优青”获得者,不变的是他对团队的感情。“团队战斗力十足,有凝聚力,在科研上我们拥有充分的自主权,团队老师严谨的治学态度更是在潜移默化中影响着青年师生,带动大家不忘初心、为科研之路奉献青春。”

对于未来发展,孙军教授认为,要在金属材料强度这个传统领域做出出色的成果,就需要在保持主干方向的优势和学术影响力的同时,结合“三个面向”,在“项目、成果、人才、国际化”四个方面付出不懈的努力。

编辑:力 行

 
 
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