“多尺度材料力学”研究组主要通过多尺度理论（应变梯度弹/塑性理论、位错理论）、多尺度模拟（晶体塑性有限元；离散位错动力学；分子动力学）与多尺度实验（宏观力学性能测试；表面纳米化；显微表征；纳米压痕）等方法系统深入研究梯度纳米结构材料、高熵合金等高强高韧材料的力学行为、变形机理、本构理论与微结构优化设计。

“多尺度力学研究组”以理论分析与本构建模、数值计算与仿真模拟、力性测试与结构表征、数据分析与人工智能等研究手段相结合，从不同物理层次认识材料的力学行为。在前沿研究方面，探索材料变形的物理机理，建立描述材料力学行为的本构模型、指导高强高韧材料基于微结构的设计和力性调控；在工程应用方面，致力于解决装备制造领域中的材料安全服役等重大需求。

1.梯度纳米结构材料的多尺度力学

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。

梯度纳米结构多尺度力学

2.高熵合金的多机制塑性力学

高熵合金跳出了传统合金的设计理念，自从2004年首次被报道后，高熵合金就因为拥有高强度、高耐磨、耐腐蚀性、耐低温等一些传统合金无法比拟的优异性能，而成为材料科学以及物理领域一大研究热点和前沿，被各界人士广泛关注以及研究，被誉为目前最有潜力的“5大材料之一”。多尺度材料力学课题组致力于通过宏微观实验、多尺度模拟和本构理论系统研究高熵合金的塑性变形机理与力学性能之间的关联，进而通过多尺度分析的方法建立描述高熵合金材料变形机理的本构模型，量化多种强化机制对梯度纳米结构高熵合金变形行为的影响，最终为高强高韧高熵合金的设计提供理论指导。

3.航空航天与轨道交通中的力学

航空发动机叶片疲劳断裂和磨损，严重影响装备的安全性、可靠性和使用寿命。我国无论是引进的还是国产的航空发动机，都曾因部件疲劳断裂引起过严重飞行事故和大面积停飞。激光冲击强化技术可在钛合金叶片表面制备梯度纳米结构，引入残余压应力以提高其疲劳性能。多尺度材料力学研究组围绕 “钛合金叶片激光冲击梯度纳米结构跨尺度力学行为及疲劳寿命预测”开展研究，预期在钛合金叶片激光冲击梯度纳米结构跨尺度本构模型、考虑服役应力场和应变梯度效应的疲劳寿命模型研究方面有所突破，进一步提升钛合金强韧性和抗疲劳性能；建立钛合金叶片疲劳寿命预测模型，为现役航空发动机钛合金叶片激光冲击强化技术工程应用提供理论基础，进一步指导钛合金激光冲击强化的微结构优化设计。 

                      轮轨接触中疲劳与断裂力学（马普钢铁所）                           激光冲击强化TC4合金叶片 

一、主持科研项目：

（1）国家级项目

1. 国家自然科学基金，12222209，先进金属材料的多尺度塑性力学，2023.01-2025.12
   

2. 国家自然科学基金，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
   

3.  国家自然科学基金，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

4.  国家自然科学基金，11202172，微尺度下材料循环塑性行为及其理论模型研究，2013.01-2015.12

5.  德国洪堡基金会，Examining the effect of microstructure on the mechanical behavior of nanotwinned copper through a multiscale approach，2016.09—2018.09

6.  国家外专局高端外国专家文教类项目，GDW20145100221，微纳米材料力学—Aifantis，2014.01—2014.12。（中方联系人）

（2）省部级项目

1.  四川省自然科学基金，2024NSFCJQ0068，增材制造Ti-6Al-4V宏微观各向异性力学性能及疲劳寿命预测，2024.01-2026.12

2.  四川省自然科学基金，2015JY0239，高强高韧纳米孪晶材料力学行为尺寸效应研究，2015.01-2016.12

3.  中国博士后基金一等资助，2013M530405，金属薄膜材料的尺度效应和包辛格效应研究，2013.04-2014.04
   

（3）重点实验室开放课题

1. 中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室2023年度开放基金，基于晶体塑性有限元方法的激光冲击强化铝合金疲劳寿命预测，2023.08-2025.12

2.  非线性力学国家重点实验室开放课题，冲击加载下高熵合金力学行为的多尺度模拟，2022.06-2023.06

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

7.  金属材料强度国家重点实验室开放课题，单晶镁微尺度力学性能的晶体塑性本构理论研究，2016.06-2018.08

8.  非线性力学国家重点实验室开放课题，单晶镁微尺度力学性能的本构描述，2016.01-2016.12

（4）西南交通大学科研项目

1. 西南交通大学“扬华学者”高层次人才计划，2020/07-2022/07

2. 中央高校基本科研业务费前沿探索类项目，2682017QY03，金属玻璃变形和失效的多尺度实验和模拟，2017.05-2019.05

3. 西南交通大学“雏鹰学者”高层次人才计划，2016/12-2019/12
   

4. 中央高校基本科研业务费科技创新项目，SWJTU11CX072，微纳米尺度下材料循环塑性本构理论研究，2011.07-2013.07

（5）企业合作

1. 西南建筑设计研究院，KYL202108-0175，小截面木框架剪力墙墙骨柱抗弯弹性模量测试以及钉连接性能试验，2021.09-2022.08

二、参与科研项目：

（1）国家级项目

1.  国家自然科学基金重大项目课题4，12192214，机理驱动的使役行为跨时空尺度映射（项目：材料长效使役性能高通量表征的力学理论与实验方法），2022.01-2026.12，负责人：康国政

2.  国家自然科学基金重大项目课题1，52192591，金属基复合材料复合构型能耗理论与跨尺度力学行为（项目：基于能量耗散的金属基复合材料强-韧性关联重构），2022.01-2026.12，负责人：袁福平

3.  科技部 2021年高端外国专家引进计划项目（战略科技发展类），G2021166001L，基于大数据和人工智能的材料失效行为预测，负责人：康国政；申请（联系）人：张旭
   

4.  科技部 2020 年高端外国专家引进计划项目（战略科技发展类），G20200023034 ，基于大数据和人工智能的材料失效行为预测，负责人：康国政；申请（联系）人：张旭

5.  德国DFG项目，Discrete-Continuum Dislocation Dynamics at Surfaces and Inter-faces with Application to Plasticity of Nanolaminated Composites，Mercator (墨卡托) Fellows，2020.01-2022.12，负责人：Michael Zaiser

6.  教育部海外名师项目，MS2016XNJT044，Michael Zaiser（固体力学），2017.01-2018.12，负责人：康国政

7.  国家重点研发计划，2016YFB1102600，激光强化技术在航空航天和轨道交通领域的工业示范，2016.06-2020.12，负责人：何卫锋

8.  国家自然科学基金重点项目，11572265，形状记忆合金热-力耦合循环变形和疲劳失效行为的宏微观实验和理论研究，2016.01-2020.12，负责人：康国政

9.  国家自然科学基金面上项目，11472230， 高速列车轮轨滚动接触损伤的多因素竞争机理研究，2015.01-2018.12，负责人：江晓禹

10.  国家自然科学基金面上项目 ，11472229，柔性太阳能电池器件的结构优化和疲劳分析，2015.01-2018.12，负责人：师明星

11.  国家自然科学基金面上项目，11072081，基于微结构的高温合金单晶蠕变位错机理及多尺度本构建模，2011.01-2014.12，负责人：李振环

12.  欧盟Starting Grant MINATRAN ，211166， Probing the Micro-Nano Transition: Theoretical and Experimental Foundations, Simulations and Applications，2009.01-2013.12，负责人：Katerina Aifantis。

13.  国家自然科学基金项目，10672064，微米晶粒尺度下晶界对位错的约束机制及尺度相关塑性理论 2007.01-2009.12，负责人：李振环

（2）省部级项目

1.  四川省重大科技专项项目，2020ZDZX0009，第四代铅铋快堆关键技术研发，2020.01-2022.12，负责人：严明宇

2.  四川省自然科学基金，2015JQ008，多铁性复合材料裂纹和接触问题研究，2015.01-2017.12，负责人：李翔宇
   

3.  四川省科技厅项目，2013TD0004，结构安全与服役力学基础四川省青年科技创新研究团队（高速列车技术中的基础力学问题研究），2013.09-2016.09，负责人：康国政

（3）企业需求

1.  空客Airbus，Fatigue virtual test simulation，2019.11-2020.06，项目负责人：康国政，技术负责人：张旭
   

一、期刊论文

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（1）代表性英文论文

1.  Geometrically necessary dislocations and related kinematic hardening in gradient grained materials: A nonlocal crystal plasticity study

   X. Zhang*⁺, J. Zhao⁺, G. Kang, M. Zaiser*, 

   International Journal of Plasticity 163 (2023) 103553.

2. Multiscale discrete dislocation dynamics study of gradientnano-grained materials

   S. Lu, J. Zhao, M. Huang, Z. Li, G. Kang, X. Zhang*,

   International Journal of Plasticity, 156 (2022) 103356

   https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103356

3. Multiple-mechanism and microstructure-based crystal plasticity modeling for cyclic shear deformation of TRIP steel

   Y. Gui, D. An, F. Han, X. Lu, G. Kang, X. Zhang*,

   International Journal of Mechanical Sciences, 222(8) (2022) 107269

   https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2022.107269

4. Temperature effect on tensile behavior of an interstitial high entropy alloy: crystal plasticity modeling

   X. Zhang*, X. Lu, J. Zhao, Q. Kan, Z. Li, G. Kang*

   International Journal of Plasticity, 150 (2022) 103201

   https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.103201

5. Size-dependent yield stress in ultrafine-grained polycrystals: A multiscale discrete dislocation dynamics study

   S. Lu, Q. Kan, M. Zaiser, Z. Li, G. Kang, X. Zhang*,

   International Journal of Plasticity, 149 (2022) 103183

   https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.103183

6. Size-dependent plasticity of hetero-structured laminates: a constitutive model considering deformation heterogeneities,

   J. Zhao, M. Zaiser, X. Lu, B. Zhang, C. Huang, G. Kang, X. Zhang*,

   International Journal of Plasticity, 145 (2021) 103063. 

   https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.103063

   https://mp.weixin.qq.com/s/nXd_0hfgAVBEOG30recakA

7. Effects of high entropy and twin boundary on the nanoindentation of CoCrNiFeMn high-entropy alloy: A molecular dynamics study,

   S. Shuang, S. Lu, B. Zhang, C. Bao, Q. Kan, G. Kang, X. Zhang*, 

   Computational Materials Science, 195 (2021) 110495. (Editor's Choice)

   https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.110495

8. Dislocation–grain boundary interaction-based discrete dislocation dynamics modeling and its application to bicrystals with different misorientations, 

   X. Zhang, S. Lu, B. Zhang, X. Tian, Q. Kan, G. Kang*, 

   Acta Materialia, 202 (2021) 88-98.

   https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.10.052

9. The combined and interactive effects of orientation, strain amplitude, cycle number, stacking fault energy and hydrogen doping on microstructure evolution of polycrystalline high-manganese steels under low-cycle fatigue,

   D. An*, X. Zhang*, S. Zaefferer, 

   International Journal of Plasticity, 134 (2020) 102803. 

   https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2020.102803

10. Cyclic plasticity of an interstitial high-entropy alloy: Experiments, crystal plasticity modeling, and simulations,

    X. Lu, J. Zhao, C. Yu, Z. Li, Q. Kan, G. Kang, X. Zhang*, 

    Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 142 (2020) 103971.

    https://doi.org/10.1016/j.jmps.2020.103971

11. Crystal plasticity finite element analysis of gradient nanostructured TWIP steel,

    X. Lu, J. Zhao, Z. Wang, B. Gan, J. Zhao, G. Kang, X. Zhang*, 

    International Journal of Plasticity, 130 (2020) 102703. 

    https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2020.102703

12. Interaction between a {101 -2} twin boundary and grain boundaries in magnesium,

    J. Tang, H. Fan*, W. Jiang, Q. Wang, X. Tian, X. Zhang*, 

    International Journal of Plasticity, 126 (2020) 102613. 

    https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2019.10.001

13. Multiple mechanism based constitutive modeling of gradient nanograined material,

    J. Zhao, X. Lu, Q. Kan, F. Yuan, S. Qu, G. Kang, X. Zhang*, 

    International Journal of Plasticity, 125 (2020) 314-330.

    https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2019.09.018

14. Effects of twin boundary orientation on plasticity of bicrystalline copper micropillars: A discrete dislocation dynamics simulation study,

    D. Wei, M. Zaiser, Z. Feng, G Kang, H. Fan*, X. Zhang*, 

    Acta Materialia. 176 (2019) 289–296.

    https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.07.007

15. Grain boundary effect on nanoindentation: A multiscale discrete dislocation dynamics model,

    S. Lu, B. Zhang, X. Li, J. Zhao, M. Zaiser, H. Fan*, X. Zhang*, 

    Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 126 (2019) 117-135.

    https://doi.org/10.1016/j.jmps.2019.02.003

16. Dislocation mechanism based size-dependent crystal plasticity modeling and simulation of gradient nano-grained copper,

    X. Lu, X. Zhang*, M. Shi, F. Roters, G. Kang, D. Raabe, 

    International Journal of Plasticity, 113 (2019) 52–73.

    https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2018.09.007

17. Critical thickness phenomenon in single-crystalline wires under torsion,

    D. Liu*, X. Zhang, Y. Li, D.J. Dunstan, 

    Acta Materialia, 150 (2018) 213–223.

    https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.03.022

18. Internal length scale and grain boundary yield strength in gradient models of polycrystal plasticity: How do they relate to the dislocation microstructure?,

    X. Zhang, K.E. Aifantis, J. Senger, D. Weygand, M. Zaiser*, 

    Journal of Materials Research. 29 (2014) 2116–2128. (Feature Paper)

    https://doi.org/10.1557/jmr.2014.234

（2）代表性中文论文

1. CoCrFeMnNi高熵合金冲击波响应与层裂强度的分子动力学研究

   杜欣, 袁福平, 熊启林, 张波, 阚前华, 张旭*. 

   力学学报 54(8) (2022) 2152

   https://doi.org/10.6052/0459-1879-22-239

2. CrMnFeCoNi高熵合金拉伸断裂的晶体塑性有限元模型

   王姝予，宋世杰，陆晓翀，阚前华，康国政，张旭*. 

   机械工程学报，57 (2021) 1-9
   

   https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2187.TH.20211129.1236.022.html

3. 激光冲击选区强化对2024铝合金叶片振动响应特性的影响

   吴郑浩，周留成，张波，阚前华，张旭*. 

   表面技术，51(1)（2021）348-357

   https://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1083.TG.20211116.1639.004.html

4. 激光冲击下CoCrFeMnNi高熵合金微观塑性变形的分子动力学模拟

   杜欣，熊启林，周留成，阚前华，蒋虽合，张旭*. 

   力学学报，53(12) (2021) 3331-3340.

   https://doi.org/10.6052/0459-1879-21-468

5. 颗粒增强复合材料压缩行为的位错动力学模拟.

   丁一凡, 魏德安, 陆宋江, 刘金铃, 康国政, 张旭*. 
   

   力学学报 53(6) (2021) 1622-1633.

   https://doi.org/10.6052/0459-1879-21-028

6. CrMnFeCoNi高熵合金纳米晶温度相关的拉伸行为研究,

   胡远啸, 双思垚, 王冰, 张燮, 张旭*, 

   固体力学学报 41(2) (2020) 109-117. 

   https://doi.org/10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2020.004

7. 位错密度梯度结构Cu单晶微柱压缩的三维离散位错动力学模拟,

   熊健, 魏德安, 陆宋江, 阚前华, 康国政,张旭*, 

   金属学报. 55 (2019) 1476–1486.

   https://www.ams.org.cn/CN/10.11900/0412.1961.2019.00025  

二、学位论文

1. 张旭，应变梯度塑性框架中內禀长度尺度与材料微结构关联研究，西南交通大学，博士后出站报告，2016。（合作导师：康国政）

2. 张旭，基于应变梯度塑性理论的微纳米尺度材料力学行为研究，华中科技大学，博士论文，2011。（导师：李振环、Katerina Aifantis）

发明专利

2024-01-30 赵君文，张旭，巫国强，戴光泽，韩靖，一种制备铝合金半固态浆料的装置及方法，ZL 2019 1 0928050.9

实用新型专利

2020-06-12 赵君文，张旭，巫国强，戴光泽，韩靖，一种制备铝合金半固态浆料的装置，ZL 2019 2 1631184.6

2017-11-28 张旭，侯进，李思杰，纤维拉伸测试装置，ZL 2017 2 0330872.3。 

2016-10-01 侯进，王少哲，刘宇杰，张旭，党少林，一种纤维拉伸测试装置，ZL201620273937.0。

软件著作权 

2017-08-08 侯进，张旭，纤维力学性能测试系统[简称：纤维测试系统]V1.0，2017SR430012。