个人信息Personal Information
学历：博士研究生毕业
学位：工学博士学位
性别：男
学科：力学. 航空宇航科学与技术. 材料科学与工程. 机械工程. 冶金工程. 先进制造. 航空工程. 材料工程. 冶金工程. 机械工程. 固体力学
多尺度与微纳米力学，梯度结构材料，界面力学，固体本构关系，应变梯度理论，晶体塑性有限元，离散位错动力学，分子动力学，高熵合金，大数据与机器学习，材料基因，极端力学，高性能材料
报考该导师研究生的方式
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Acta Materialia: 孪晶界取向效应的离散位错动力学研究
来源：材料科学与工程微信公众号
论文信息：
D. Wei, M. Zaiser, Z. Feng, G Kang, H. Fan*, X. Zhang*, Effects of twin boundary orientation on plasticity of bicrystalline copper micropillars: A discrete dislocation dynamics simulation study, Acta Materialia. 176 (2019/09/01) 289–296.
晶界作为位错运动的障碍，随着晶粒尺寸的减小，其强化效果呈现众所周知的Hall-Petch效应。然而，材料强度的增加通常会导致延性损失，这一现象被称为强度-延性冲突。孪晶界是一种特殊的大倾角、低晶界能的晶界，因其对强度和延性的积极影响而受到关注。在纳米孪晶材料中，孪晶界可以作为位错滑移的障碍，高孪晶密度可以显著提高材料强度。另一方面，孪晶界可以作为附加滑移面，使得孪晶界迁移或者滑移，从而提高材料的延性。
孪晶界对塑性变形的影响表现出明显的各向异性，尤其是在纳米双晶材料中。因此有学者通过双晶孪晶微柱压缩实验研究单个孪晶界的塑性变形行为和取向效应，发现当孪晶界平行于加载轴时，没有明显的强化现象，主要的塑性变形机制是螺型位错类似于交滑移一样穿过孪晶界。当孪晶界与加载轴呈45°时，孪晶界几乎不对位错滑移产生影响。然而，其它取向的孪晶界对双晶微柱的影响机理未知，相关研究对于理解纳米孪晶材料的强-韧关联有着重要的理论意义。
针对上述问题，西南交大张旭副教授研究组与四川大学范海冬副教授和德国埃尔朗根-纽伦堡大学Michael Zaiser教授合作，论文第一作者博士研究生魏德安基于相关分子动力学模拟结果和实验结果，将位错与孪晶界反应模型引入离散位错动力学框架（DDD），从而系统研究了不同孪晶界取向对双晶孪晶铜力学行为、微结构演化和位错-孪晶界反应机制的影响。
位错-孪晶界模型考虑了三种不同的反应方式：1. 螺型位错直接穿过孪晶界；2. 螺型位错被孪晶界吸收并分解成两个孪晶位错；3. 非螺型穿过孪晶界，并在孪晶界上残留一个孪晶位错。反应的可行性基于几何准则、力准则和最大耗散功准则来判断。通过离散位错动力学模拟发现不同取向的孪晶界具有不同的强化效应，当孪晶界的倾斜角低于45°时，强化效应明显，而大于45°时，强化效应逐渐消失，尤其倾斜角在90°时，强化效应消失。
在孪晶界倾斜角较低时，发现孪晶界周围有大量的位错塞集现象，从而产生背应力。水平孪晶界阻碍滑移系开动直至领头非螺型位错穿过孪晶界。而对于15°孪晶界，一旦背应力限制了主滑移系的开动，平行于孪晶界的滑移系就变得更容易激活。在这种情况下，强化效应源自于孪晶界促使具有非常低Schmid因子的滑移系开动。当平行于孪晶滑移系Schmid因子达到最大，也就是孪晶界倾斜角为45°时，这种现象才消失。
随着孪晶界倾斜角的增加，机制逐渐由螺型位错控制，不再有很强的硬化效应。有趣的是，在60°的时候，螺型位错更容易分解到孪晶界上，孪晶位错运动导致的塑性变形占总塑性应变的~40。在这种情形下，晶粒内部的塑性滑移诱导了孪晶位错的滑移，称之为塑性诱导孪生，即TWIP-1。
该研究成果于2019-09-01在金属材料领域国际著名学术期刊Acta Materialia. 176 (2019) 289–296 (IF=7.293)上发表(DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.07.007)。该研究工作得到了国际自然基金（11672251, 11872321, U1730106）和教育部海外名师计划（MS2016XNJT044）的资助。