机械院团队在固体强度领域取得重要进展

近日，我校机械与运载工程学院团队发现了固体材料中缺陷具有类似流体的湍流行为，打破了传统认知。

研究发现在固体缺陷湍流的涡点产生一种特殊的既是源又是阱的异面螺旋位错结构，能够显著地提高金属强度和塑性，为解决材料的强-塑性对抗难题和设计高性能合金提供了新策略。

长期以来，提高金属材料的强度和延展性一直是一个巨大的挑战。多元合金由于其原子类型和尺寸的频繁变化，导致晶格存在较大畸变，且电子相互作用的差异导致原子键具有偏向性形成化学短程有序，从而表现出优异的力学性能，如高强度、高延展性和高断裂韧性。特别是，难熔多主元合金在高温下表现出高强度，在航空航天、核能领域有着巨大的应用前景，但低的室温延展性阻碍了其广泛的工业应用。

图1 从原子级化学短程有序到介观级位错动力学的跨尺度模拟

基于非均匀晶格应变随机场理论，开发了多元合金通用无拟合参数的介观尺度离散位错动力学模拟方法，可用于探索任意元素组成和原子构型的多元合金介观尺度变形和强化机制（图1）。基于透射电子显微镜实验表征，刃位错首次被引入体心立方多主元合金的位错动力学模拟，揭示了螺/刃位错双向转变是通过位错扭结/割阶机制产生。

由于多元合金原子晶格畸变场强烈依赖于化学短程有序程度及分布，阐明了化学短程有序潜在的物理特性。与传统合金相比，多主元合金具有更高的应变峰值和更宽的应变波长，产生强烈的非均匀晶格应变，诱发了缺陷结构混沌行为，使得塑性变形发生了奇特的位错湍流行为（图2），显著提高了强度和塑性，并提出了固体缺陷湍流的Navier-Stokes方程。为理解多元合金中位错的强韧性起源提供了新视角，也为开发高强度-高延展性金属材料的设计提供了新的思路。

图2 HfNbTa多主元合金中的位错湍流行为

相关工作成果以题为“Dislocation flow turbulence simultaneously enhances strength and ductility”发表在《美国科学院院刊》。湖南大学机械与运载工程学院姜潮教授团队博士后陈阳为论文第一作者，李甲教授和方棋洪教授为论文通讯作者。中南大学刘咏教授团队等参与了该研究工作。

论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2316912121

来源：机械与运载工程学院

通讯员：周兵

学生编辑：刘凌艺

责任编辑：余楚倩