近日，兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室和材料科学与工程学院赵燕春教授与田纳西大学高雁飞教授及香港城市大学朱运田教授合作在异质结构材料领域的最新研究成果以题为“What are the “dispersive shear bands” on the surfaces of layered heterostructured materials?”在固体力学顶级期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》在线发表。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105467

作为材料科学的前沿研究，异质形变诱导（HDI）强化被认为是克服材料强度与塑性权衡关系的关键驱动力。然而，无论是双峰结构（Bi-modal）的内部还是层状或梯度材料的表层，其强韧化机制往往会伴随着“剪切带”或应变集中带，这种所谓的“剪切带”并非是由于材料本构失稳造成的，而是由几何原因所引起的，它们其实是中短波颈缩。

本工作从两方面入手，一方面，几何必要位错形成的正向应力和背应力均是处于微观尺度的，但绝大多数的失效是由于缺乏起源和排布机制的宏观尺度“剪切带”所导致的。另一方面，由DIC实验得到的“剪切带”形貌和数量具有较强的随机性和不确定性，且主要取决于试样的截面比。因此，采用3D有限元模拟定量研究了软硬层的异质强化和表面扰动机制的协同效应。表面扰动的几何因素（如波长、初始振幅和相位差等）是决定“剪切带”三种排列类型的关键因素，包括I、X以及W型。此外，倾斜角度和波长表现出强烈的自选择行为。即使在不考虑几何必要位错（GND）和异质形变诱导（HDI）强化机制的情况下，层状异质材料表面“剪切带”的形成原因也可由连续介质力学和表面扰动解释。

【作者简介】

马虎文，兰州理工大学博士生。研究方向为先进结构材料的变形机制及功能结构调控机理。

赵燕春，兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室和材料科学与工程学院教授、博士生导师。研究方向为亚稳态金属材料及及增材制造、异质金属材料功能结构一体化调控机理。

高雁飞，美国田纳西大学材料科学及工程系教授。研究方向为固体力学、先进结构材料的变形和破坏机制、固态增材制造。

朱运田：香港城市大学讲座教授，欧洲科学院院士。是异构材料领域的发起人之一，长期以来从事纳米结构材料的研究，探索了纳米金属材料的组织性能控制和变形机理。

【致谢】

本研究得到了中国国家自然科学基金、甘肃省重点研发及计划、浙江省自然科学基金、兰州理工大学红柳青年基金的资助。同时本研究获得了兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室、兰州理工大学材料科学与工程学院及田纳西大学材料科学及工程系的大力支持，在此一并表示感谢。