方向介绍

材料强度-韧性的“倒置”关系是制约其工程应用的主要瓶颈。梯度纳米晶粒/孪晶材料通过孪晶界和微结构梯度构筑实现了强韧兼顾。多尺度材料力学课题组针对梯度纳米晶粒/孪晶材料“本构关系”和“微结构优化设计”研究方面的不足，旨在通过“自下而上”的多尺度本构建模方法，基于分子动力学模拟、离散位错动力学模拟揭示材料微结构动态演化，进而建立综合反梯度纳米晶粒/孪晶材料各向异性、非均匀性、多尺度特征的应变梯度晶体塑性本构理论及其有限元实现框架，最终揭示材料微结构、变形机理与宏观力学行为关联，并在此基础上探索梯度纳米晶粒/孪晶材料的微结构调控，以提高其力学性能。相关研究不仅有助于丰富材料本构理论的多尺度描述，还可以为高性能梯度纳米晶粒/孪晶材料的微结构调控、性能优化和工程服役提供理论参考，具有重要的科学意义和广阔的工程应用前景。

高熵合金突破了传统合金的设计理念，自2004年被首次报道以来，因其展现出高强度、高耐磨、优异耐腐蚀性与低温韧性等传统合金难以比拟的综合性能，迅速成为材料科学与凝聚态物理领域的研究热点与前沿，被誉为最具潜力的“未来材料”之一。 本课题组围绕高熵合金的强韧化机理与性能调控，建立了“实验表征—理论建模—模拟仿真”深度融合的多尺度研究体系。在宏观层面，我们通过力学性能测试与原位观测，系统揭示高熵合金在不同加载条件下的变形、损伤与断裂行为。在微观尺度，结合先进的电子显微术与衍射技术，解析其复杂的相组成、位错结构、孪生行为以及相变过程。 在模拟与理论方面，课题组发展了针对高熵合金多主元、多相特征的晶体塑性有限元模型，定量揭示其变形过程中多种强化机制（如固溶强化、位错强化、相变诱导塑性等）的协同贡献。同时，借助分子动力学模拟，在原子尺度探究元素分布、短程有序结构及其对位错形核与运动的影响规律。我们进一步发展了离散位错动力学模拟方法，重点研究化学短程有序、相界以及纳米析出相对位错运动的阻碍机制与演化规律，从介观尺度揭示其独特的加工硬化与损伤行为。近年来，我们还积极探索机器学习在高熵合金成分设计、性能预测与本构参数反演中的应用，加速新材料研发。 本方向的核心科学目标是：通过多尺度关联分析，建立能够准确描述高熵合金复杂变形机理的物理本构模型，量化各强化机制对其力学响应的贡献，进而为设计具有特定性能（如超高强韧、抗辐照、耐高温）的新型高熵合金提供理论指导与设计准则。相关研究对推动高熵合金在航空航天、能源装备及极端环境部件等领域的应用具有重要价值。 

  此外，围绕国家自然科学基金重大项目课题，致力于探究具有设计构型的金属基复合材料在变形过程中的损伤演化与失效机理，重点关注材料多级结构与能量耗散过程之间的内在关联。其核心在于建立连接材料多尺度构型（从微/纳米尺度的基体/增强体界面，到细观/宏观尺度的整体复合材料构型）与其最终力学性能及损伤容限的理论框架与预测模型。关键目标之一是量化与损伤机制（如增强体开裂、界面脱粘、基体塑性变形等）相关的"构型诱导"能量耗散。该研究综合利用先进的多尺度实验表征技术（如原位扫描/透射电子显微镜力学测试、数字图像相关法）与多尺度计算模拟方法（包括晶体塑性有限元法、内聚力模型等）。最终目标在于指导设计出兼具优异强度、韧性及损伤阻抗的金属基复合材料，从而推动航空航天推进系统、热防护部件及先进国防应用等领域所需的新一代轻量化高性能结构材料的发展。

基金项目

1. 国家自然科学基金面上项目，11872321，激光冲击强化高熵合金循环变形行为的宏微观实验与本构理论研究，2019.01-2022.12。

2. 国家自然科学基金面上项目，11672251，梯度纳米晶粒/孪晶材料的本构建模及微结构设计，2017.01-2020.12

3. 新金属材料国家重点实验室开放基金，2019-Z07，高熵合金的表面纳米化及本构模型研究，2019.07-2021.06。

4. 非线性力学国家重点实验室开放课题，梯度纳米结构IF钢的循环实验及本构建模，2019.04-2020.04。

5. 国防科技重点实验室基金，614220205011802，激光冲击强化对钛合金叶片振动响应特性的影响，2019.01-2020.12。

6. 机械强度与振动国家重点实验开放课题，SV2018-KF-10，钛合金叶片激光冲击强化跨尺度力学行为研究与疲劳寿命预测，2018.01-2019.12。

相关论文

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2. X. Lu, J. Zhao, C. Yu, Z. Li, Q. Kan, G. Kang, X. Zhang*, Cyclic plasticity of an interstitial high-entropy alloy: Experiments, crystal plasticity modeling, and simulations, J. Mech. Phys. Solids (2020), 103971. 

3. X. Lu, J. Zhao, Z. Wang, B. Gan, J. Zhao, G. Kang, X. Zhang*, Crystal plasticity finite element analysis of gradient nanostructured TWIP steel, Int. J. Plast. 130 (2020) 102703.

4. J. Zhao, X. Lu, Q. Kan, F. Yuan, S. Qu, G. Kang, X. Zhang*, Multiple mechanism based constitutive modeling of gradient nanograined material, International Journal of Plasticity. 125 (2020/02/01) 314-330.

5. J. Zhao, Q. Kan, L. Zhou, G. Kang, H. Fan*, X. Zhang*, Deformation mechanisms based constitutive modelling and strength-ductility mapping of gradient nano-grained materials, Materials Science and Engineering: A. 742 (2019) 400–408.