金屬和陶瓷等晶體材料變形過程在微觀尺度主要表現為點、線、面、三維等多維缺陷的相互作用和協同演變，微觀多維缺陷是決定宏觀力學性能的内在因素。上世紀學者主要采用宏觀尺度本構建模預測材料力學行為與性能，本世紀随着計算機日益普及且性能快速提升，方向逐漸轉變為通過建立基于微觀機制本構模型、開展微觀多維缺陷時空演變模拟，研究材料變形機理并預測力學性能。該方向在理論、數學建模、數值實現等方面均十分複雜，迄今仍是固體力學與結構強度等領域的研究熱點與難點。

近日，yh533388银河app下载巫榮海副教授在該方向上取得進展，結合熱力學、彈塑性力學、損傷力學等理論，借助相場法框架建立了一種耦合位錯、相組織和損傷的新型高溫蠕變本構模型，開發了具有自主知識産權的數值模拟代碼，并成功應用于鎳基單晶高溫合金蠕變研究。所模拟的位錯、相組織和損傷等微觀缺陷時空演變，及宏觀蠕變曲線、最小蠕變速率等均與實驗結果基本一緻（如圖1和2所示）。基于長短程應力、應變和能量場，定量分析了多維缺陷相互作用機制，深化了對鎳基單晶高溫合金蠕變機理的認識（如圖3所示）。此外，論文還解決了當第二相發生形貌演變時，合理處理環繞第二相位錯協同演變的“swallow-gap”難題。相關研究成果以題為“Phase-field, dislocation based plasticity and damage coupled model: modelling and application to single crystal superalloys”(https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103376)發表于《International Journal of Plasticity》,該期刊是固體力學、機械工程等領域公認的頂級期刊。

該研究受國家自然科學基金(12002275)和陝西省自然科學基金(2020JQ125)資助。論文的第一和通訊作者為巫榮海副教授，第二作者張宇凡為我院力學專業2016級本科和2020級碩士，體現了我院學生培養水平不斷提高。巫榮海副教授主要采用分子動力學、位錯動力學、相場建模、宏觀唯象建模、機器學習等多尺度計算模拟方法解決材料變形損傷與壽命預測相關科學和工程問題，該成果是近期繼JMPS論文《Thermodynamic considerations on a class of dislocation-based constitutive models》（https://doi.org/10.1016/j.jmps.2021.104735）之後的又一重要成果。

圖1 鎳基單晶高溫合金相随蠕變過程的演變

圖2 （a）平均位錯密度演變；（b）蠕變曲線

圖3 蠕變中的長短程應力、應變和能量場

（文：巫榮海、張宇凡，核：溫世峰）