2022年12月16日，国际固体力学顶级期刊International Journal of Plasticity（《国际塑性杂志》）在线发表了土木建筑工程学院刘泽教授课题组在金属塑性力学领域的最新研究成果：结合实验，分子模拟和理论分析，系统研究了晶体金属塑性变形过程中的微观原子物理过程-变形模式-变形机制三者之间的关系。

论文题目为“Nanoscale deformation of crystalline metals: Experiments and simulations”，我院博士生吴伯朝和吴玉鹏为论文共同第一作者，刘泽教授为论文通讯作者，武汉大学为唯一署名与通讯单位。该工作得到国家自然科学基金和湖北省重点研发计划的支持。

近年来，纳米模塑技术因适用于纯金属、固溶体、高熵合金、有序相等各种金属材料的高效、快速和可控纳米图案化而受到了科技界的关注（Prog. Mater. Sci., 125, 100891, 2022）。然而，晶体金属塑性变形涉及孪生、位错滑移、位错攀移、晶格扩散和晶界扩散等复杂微观物理机制，且显著依赖于特征尺寸、应力和温度，这使得构建基于微结构演化与变形机制的物理力学模型一直是一个挑战性前沿课题。该工作应用刘泽教授课题组此前发明的纳米模塑技术（Nature Communications, 8, 14910, 2017）探测晶体金属尺寸相关的塑性变形机制（图1（a））。研究发现，临界成型压力由金属进入孔腔的能垒决定（在应力应变曲线上表现为应力突降，图1（b）中Δσ），分子模拟预测的应力降对尺寸的相关性与基于微观物理过程的力学模型吻合；一旦克服上述能垒，成型效率随孔腔尺寸的减小而增加，且变形模式与变形机制都显著依赖于孔腔尺寸、温度和应力（图1（c））；揭示了基于原子扩散的粘性流动、无序原子团簇包裹的晶核进入孔腔并长大导致的突变式蠕变模式、以及基于块体金属中位错增殖与运动的连续蠕变模式（位错进入孔腔后几乎不动）3种变形模式（图1（d）），并建立了相应的连续介质塑性力学模型；通过分子模拟还发现即使在通常为位错变形机制主导的温度区间，随着孔腔尺寸的减小，孔腔中金属的塑性流动将由连续性蠕变模式向突变性蠕变模式转变，当孔腔尺寸进一步减小时，即使在远低于熔点的温度下，孔腔内的金属原子也将呈完全非晶态，而当释放外载时，非晶态迅速弛豫为晶态。由于该现象在大孔腔尺寸中通常仅在接近熔点的高温下才会发生，这就表明减小特征尺寸具有类似于提高温度来提升模塑效率的效果。

该工作不仅加深了人们对金属复杂塑性变形机制的理解，为构建基于微观物理过程的连续介质塑性模型提供了范例，还可为纳米模塑工艺优化提供理论指导，从而促进基于金属纳米结构低成本、快速制造的广泛应用。

论文连接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641922002789

图1（a）应用纳米模塑技术探测晶体金属变形机制的实验装置示意图，放大图为分子模拟采用的代表性模型；（b）金属晶体进入孔腔的能垒关于温度和孔腔尺寸的依赖性；（c）晶体金属特征尺寸和温度相关的变形模式与变形机制图谱；（d）所识别的三种变形模式对应的微观结构（原子类型与位错分布）演化过程快照，其中白色、绿色和红色分别代表无序原子、FCC原子和HCP原子