西南交通大学"多尺度材料力学"研究组致力于先进金属材料（如梯度纳米结构材料、高熵合金等）力学行为的前沿研究。课题组建立了独具特色的"多尺度理论分析-多尺度数值模拟-多尺度实验验证"三位一体的系统研究方法，形成了从埃米到毫米、从皮秒到秒的完整研究体系。

1. 多尺度理论分析研究组在传统连续介质力学理论基础上，发展了：

• 应变梯度塑性理论：通过引入内禀材料长度尺度，成功预测微纳尺度的尺寸效应，建立微观位错机制与宏观塑性响应之间的桥梁

• 位错动力学理论：揭示位错演化、交互作用及其对材料强韧化的贡献规律

• 跨尺度本构理论：发展能够同时反映"试样尺度效应"与"微结构尺度效应"的统一本构模型

2. 多尺度数值模拟课题组建立了从原子到宏观的完整模拟平台：

• 分子动力学模拟：揭示原子尺度变形机理（位错形核、孪生、相变等）

• 离散位错动力学模拟：研究位错运动、相互作用及其对塑性变形的贡献

• 晶体塑性有限元模拟：考虑晶粒取向、形态及其演化，预测多晶材料的宏观力学响应

• 多尺度耦合模拟：实现不同尺度模型间的信息传递与耦合计算

3. 多尺度实验验证课题组配备完善的实验平台，包括：

• 材料制备平台：表面机械研磨处理（SMAT）等表面纳米化技术

• 微观结构表征：SEM、EBSD、TEM等先进表征手段

• 力学性能测试：宏观力学试验机、纳米压痕仪等

• 原位实验技术：原位电镜测试等先进表征方法

4. 研究方法特色与创新研究组的特色在于：

• 尺度衔接紧密：建立了从原子-微观-细观-宏观的完整研究链条

• 方法交叉融合：将理论分析、数值模拟与实验验证有机结合

• 机理研究深入：通过多尺度方法揭示材料变形与失效的本质机理

• 应用目标明确：服务于高性能材料的设计与优化

 目前，该研究方法已成功应用于梯度纳米结构材料、高熵合金等多个材料体系的研究，在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》《International Journal of Plasticity》《Acta Materialia》等固体力学与金属材料领域顶级期刊发表系列论文，为高性能金属材料的开发提供了重要的理论支撑和方法学基础。

“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. 国家自然科学基金重点，12532004，多尺度数智力学驱动的增材制造“工艺-组织/缺陷-性能”预测与优化，2026.01-2030.12

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

3. 国家自然科学基金面上，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
   

4.  国家自然科学基金面上，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

5.  国家自然科学基金青C，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

6.  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

7.  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.  四川省海聚计划，2025HJRC0006，增材制造高温合金结构-性能关联：多尺度模拟与机器学习协同预测，2025.01-2025.12

2. 四川省自然科学基金青A，2024NSFJQ0068，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

3.  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

4.  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）重点实验室课题

1. 大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室开放课题，增材制造镍基高温合金的工艺-组织-性能模拟研究，2025.08-2027.07

2. 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

3.  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

4. 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

5.  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

6.  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

7.  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

8.  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

9.  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. 东方电气股份有限公司，大型蒸汽发生器关键技术研究项目-换热管与管板接头工艺试验，2025.08-2025.12

2. 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）重点实验室课题

1. 太行国家实验室，THL-K-24-115，SLM增材制造新型高温合金组织-缺陷-性能-寿命一体化评价，2024.05-2026.12，负责人：吴圣川

2. 
   

（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

    在Journal of the Mechanics and Physics of Solids（3篇）、International Journal of Plasticity（22篇）、Acta Materialia（4篇）、International Journal of Mechanical Sciences（9篇）、Materials Science and Engineering A（7篇）、《力学学报（中英文版）》（11篇）、《中国科学（中英文版）》（3篇）等专业期刊以及Advanced Science、Nature Communications等综合性期刊上发表论文160余篇，其中SCI论文129余篇，其中ESI 高引论文 3 篇。

    论文Google Scholar引用3800余次，SCI引用3000余次，H-index 30 (来自Web of Science)，3篇论文入选ESI高被引，1篇论文被Acta Mechnica Sinica选为封面推介，1篇论文被Journal of Material Research 期刊选为Feature论文，1篇论文被Computational Materials Science选为"Editor's Choice"。

研究方向一：先进金属材料力学行为（高熵合金、梯度结构材料等）

核心内容：针对高熵合金、梯度纳米结构材料、层状异构材料等先进金属材料，通过实验、多尺度模拟与理论分析相结合，研究其独特的强化-塑性协同机制、变形与断裂机理。

代表性论文：

1. Shuang, S., Hu, Y., Li, X., Yuan, F., Kang, G., Gao, H., and Zhang, X., Tuning chemical short-order for simultaneous strength and toughness enhancement in NiCoCr medium-entropy alloys. International Journal of Plasticity, 2024.

2. Zhang, X., Gui, Y., Lai, M., Lu, X., Gu, J., Wang, F., Yang, T., Wang, Z., and Song, M., Enhanced strength-ductility synergy of medium-entropy alloys via multiple level gradient structures. International Journal of Plasticity, 2023.

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

3. Lu, X., Gui, Y., Fu, Z., Ao, N., Wu, S., and Zhang, X., Mechanical behavior and microstructure-property correlation of a metastable interstitial high entropy alloy with hierarchical gradient structures. Materials Characterization, 2023.

4. Fan, L., Xiong, Y., Zeng, Y., Ni, R., Zhang, Y., Ren, L., Dieringa, H., Huang, Y., Quan, G., and Zhang, X., The strength-ductility synergy of magnesium matrix nanocomposite achieved by a dual-heterostructure. Journal of Materials Science & Technology, 2025.

研究方向二：晶体塑性本构建模与计算（CPFEM）

核心内容：开发晶体塑性本构模型，并利用晶体塑性有限元法（CPFEM）模拟多晶材料的宏观力学响应，揭示微观组织（织构、晶粒形态等）与宏观性能的关系。

代表性论文：

1. Xiong, Y., Zhao, J., Shi, L., Lai, R., Guo, S., Lei, L., Wu, S., Kang, G., and Zhang, X., Microstructure-sensitive fracture in additive manufactured Ni-based superalloys: A coupled crystal plasticity and phase-field modeling. Engineering Fracture Mechanics, 2025.

2. Lu, X., Zhang, X., Shi, M., Roters, F., Kang, G., and Raabe, D., Dislocation mechanism based size-dependent crystal plasticity modeling and simulation of gradient nano-grained copper. International Journal of Plasticity, 2019.

3. Lu, X., Zhao, J., Wang, Z., Gan, B., Zhao, J., Kang, G., and Zhang, X., Crystal plasticity finite element analysis of gradient nanostructured TWIP steel. International Journal of Plasticity, 2020.

4. Song, S., Kan, Q., Liu, Y., Bao, C., Lu, X., and Zhang, X., Tensile and creep behavior of 316L austenite stainless steel at elevated temperatures: experiment and crystal plasticity modeling. Acta Mechanica Sinica, 2024.

5. 熊宇凯, 赵建锋, 饶威, 黄志勇, 康国政, 张旭. 含冷却孔镍基合金次级取向效应的应变梯度晶体塑性有限元研究. 力学学报, 2023.

研究方向三：离散位错动力学（DDD）

核心内容：运用离散位错动力学（DDD）方法，从位错机制层面揭示材料的塑性变形起源、位错-界面交互作用及尺寸效应。

代表性论文：

1. Lu, S., Kan, Q., Zaiser, M., Li, Z., Kang, G., and Zhang, X., Size-dependent yield stress in ultrafine-grained polycrystals: A multiscale discrete dislocation dynamics study. International Journal of Plasticity, 2022.

2. Zhang, X., Xiong, J., Fan, H., and Zaiser, M., Microplasticity and yielding in crystals with heterogeneous dislocation distribution. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 2019.

3. Wei, D., Zaiser, M., Feng, Z., Kang, G., Fan, H., and Zhang, X., Effects of twin boundary orientation on plasticity of bicrystalline copper micropillars: A discrete dislocation dynamics simulation study. Acta Materialia, 2019.

4. Shuang, S., Liang, Y., Zhang, X., Yuan, F., Kang, G., and Zhang, X., Impact of local chemical ordering on deformation mechanisms in single-crystalline CuNiCoFe high-entropy alloys: a molecular dynamics study. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 2023.

5. Du, X., Shuang, S., Zhao, J., Fu, Z., Kan, Q., and Zhang, X., Extra strengthening and Bauschinger effect in gradient high-entropy alloy: A molecular dynamics study. International Journal of Mechanical Sciences, 2024.

研究方向四：机器学习在材料力学中的应用

核心内容：将机器学习（如神经网络、生成对抗网络、遗传算法等）应用于材料本构参数识别、性能预测、微观结构-性能关联和疲劳寿命评估，实现数据驱动的材料研究与设计。

代表性论文：

1. Zhu, D., Zhao, J., Hu, Y., Kan, Q., Kang, G., and Zhang, X., Predicting tensile behavior from nanoindentation using gradient plasticity model with neural network and genetic algorithm. Mechanics of Materials, 2025.

2. Lu, S., Zhang, X., Hu, Y., Chu, J., Kan, Q., and Kang, G., Machine Learning-Based Constitutive Parameter Identification for Crystal Plasticity Models. Mechanics of Materials, 2025.

3. Jiang, L., Hu, Y., Li, H., Shao, X., Zhang, X., Kan, Q., and Kang, G., A cGAN-based fatigue life prediction of 316 austenitic stainless steel in high-temperature and high-pressure water environments. International Journal of Fatigue, 2025.

4. Li, X., Zhang, X., Feng, W., and Wang, Q., Machine learning-based prediction of fracture toughness and path in the presence of micro-defects. Engineering Fracture Mechanics, 2022.

5. 周瑞, 熊宇凯, 储节磊, 阚前华, 康国政, 张旭. 基于机器学习和遗传算法的非局部晶体塑性模型参数识别. 力学学报, 2024.

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。