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2020年 41卷 2期
刊出日期：2020-04-28
研究论文
研究论文（多尺度专辑）
综述（多尺度专辑）
综述（多尺度专辑）
93
高熵合金强韧化理论建模与模拟研究进展
李甲，冯慧，陈阳，李理，田圆圆，谭福盛，彭静，陈浩天，方棋洪
高熵合金因其优异的性能受到广泛关注，如高强度、高硬度、高韧性、高耐磨、高耐辐照、高耐腐蚀、高电阻、高耐热等，有望应用于核能、航天航空等重要领域和重大装备。从高熵合金制备、组织结构以及性能表征等方面开展的实验研究表明其独特的性质依赖于高熵合金高熵效应、晶格畸变和扩散迟滞。在微观尺度以及宏观尺度, 理论模型和数值模拟为研究高熵合金微观机理和力学特性提供了一种方法。建立从高熵合金的微观结构与变形机理到宏观独特力学性能的联系是一个多尺度的科学问题。最近，基于实验观察结果，采用多尺度的理论与模拟方法（第一性原理、分子动力学、离散位错动力学、晶体塑性有限元、微结构依赖的理论模型），研究了高熵合金层错能、弹性模量、扩散系数以及相稳定性，揭示了高熵合金变形与强韧化机制。本文综述多尺度计算在高熵合金力学性能和变形行为方面的研究进展，并对高熵合金在原位变形实验、高通量技术以及机器学习方面的研究进行简要展望。
2020 Vol. 41 (2): 93-108 [
摘要
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研究论文（多尺度专辑）
109
CrMnFeCoNi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
摘要：高熵合金是一种由多种主元元素组成的新型合金。实验研究表明等原子比CrMnFeCoNi高熵合金在低温下具有比室温更高的拉伸强度和断裂韧性。本文针对这一现象，利用分子动力学模拟对平均晶粒尺寸为6 nm的CrMnFeCoNi纳米晶在300、200和77 K下分别进行拉伸模拟。模拟研究揭示了纳米尺度CrMnFeCoNi高熵合金力学行为的温度效应和强韧机理。微结构演化分析表明：低温下，塑性变形阶段，滑移系开动的较少，位错滑移所受的阻力越大，屈服强度和抗拉强度越大；模型破坏时，孔洞缺陷形核较慢，更多孔洞缺陷演化成断口，更多的断口分摊拉伸应变，使得高熵合金纳米晶的低温韧性更好。
2020 Vol. 41 (2): 109-117 [
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研究论文
118
纳米单晶NiTi合金单程形状记忆效应的分子动力学模拟
李静，王冰，于超，阚前华，康国政
采用基于第二近邻修正型嵌入原子势的分子动力学方法研究了纳米单晶NiTi合金的单程形状记忆效应，详细阐明了温度诱发马氏体相变和应力诱发马氏体重定向过程中纳米单晶的变形行为和微结构演化，进一步分析了加/卸载速率对NiTi合金单程形状记忆效应的影响。结果表明，NiTi纳米单晶在应力加载过程中发生马氏体重定向，卸载后存在残余应变；当加热到奥氏体转变结束温度以上时，马氏体逆相变为奥氏体相，残余应变逐渐减小，但未完全回复；随着应力加载速率的增加，重定向临界应力和模量逐渐增加；再次降温过程中不同加载速率下的原子结构演化各不相同。
2020 Vol. 41 (2): 118-126 [
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127
磁电弹复合材料和刚性导电导磁圆柱压头的二维微动接触分析
苏洁， 柯燎亮， 汪越胜
本文求解平面应变状态下磁电弹复合材料半平面和刚性导电导磁圆柱压头的二维微动接触问题。假设压头具有良好的导电导磁性，且表面电势和磁势是常数。微动接触依赖载荷的加载历史，所以首先求解单独的法向加载问题，然后在法向加载问题的基础上求解循环变化的切向加载问题。整个接触区可以分为内部的中心粘着区和两个外部的滑移区，其中滑移区满足Coulomb摩擦法则。利用Fourier积分变换，磁电弹半平面的微动接触问题将简化为耦合的Cauchy奇异积分方程组，然后数值离散为线性代数方程组，利用迭代法求解未知的粘着/滑移区尺寸、电荷分布、磁感应强度、法向接触压力和切向接触力。数值算例给出了摩擦系数、总电荷和总磁感应强度对各加载阶段的表面接触应力、电位移和磁感应强度的影响。
2020 Vol. 41 (2): 127-141 [
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142
磁电复合材料中拓扑磁结构的力学调控
王煜，石一诺， 王杰
磁性斯格明子是在一些铁磁材料中存在的一种重要拓扑磁结构，由于其具有独特的磁-电-力-热多场耦合特性，在未来新型自旋电子器件中有着广泛的应用前景。然而，磁性斯格明子一般需要在外加磁场下才能稳定存在，极大地限制了其在自旋电子器件中的实际应用。本文基于实空间下磁电材料的相场模拟，发现铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子可以通过界面变形来稳定铁磁斯格明子。由于力电耦合效应，铁电层中铁电斯格明子的非均匀分布极化在界面产生周期性的非均匀界面变形。界面变形通过力磁耦合效应，使铁磁层中的磁性斯格明子在没有外加磁场的条件下能够稳定存在。本文的研究结果表明，基于磁电复合材料中的力-电-磁耦合效应，通过优化设计复合材料中不同组元的结构，可以实现拓扑磁结构的力学调控，从而为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了新思路。
2020 Vol. 41 (2): 142-150 [
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151
基于可逆畴变的压电圆环多层致动器应变响应研究
王强中， 李法新
压电致动器在现代工业中发挥着非常重要的作用。然而，目前应用的压电致动器均是基于线性压电效应，最大应变一般只有0.1-0.15%，实现大的致动应变一直是该领域学者追求的目标。本文中，我们提出了两种经过特殊设计的基于可逆非180°电畴翻转的PZT圆环多层致动器，一种是径向极化、部分电极（RPPE）的4层圆环，另一种是周期性正交极化（POP）的4层圆环，以期能够实现大的致动应变，而且圆环构型层数增加时也不容易发生失稳等问题。实验结果表明，在相同的驱动电场（2kV/mm，0.1Hz）下，4层RPPE最大致动应变为0.27%，约为普通PZT圆环的2倍，但表面变形很不均匀。相比之下，4层的POP圆环致动器的最大输出应变为0.36%，是普通PZT圆环的2.7倍。这两种致动器的致动应变都是随着频率的增加而减小， RPPE致动器在超过1Hz后稳定在0.19%， POP致动器在超过5Hz后稳定在0.2%。而且， POP圆环致动器重复性能很好，经过2万次致动循环后致动应变几乎不变。这种POP PZT多层圆环致动器具有结构稳定、输出应变大等优点，在致动领域具有很好的应用前景。
2020 Vol. 41 (2): 151-158 [
摘要
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159
悬臂梁挠曲电俘能器的力电耦合模型及性能分析
陈春林，李肇奇，梁旭，胡淑玲，申胜平
挠曲电效应指应变梯度在电介质中引起的电极化现象，是一种普遍存在的力电耦合行为。应变梯度与材料的尺寸成反比，因此挠曲电效应有望在纳米尺度主导材料的物理性质，尤其是力电耦合性能。本文建立了悬臂梁挠曲电俘能器的理论模型，基于哈密顿原理得到了悬臂梁挠曲电俘能器的控制方程和相应的边界条件；进一步，得到了悬臂梁挠曲电俘能器的输出电压频率响应和功率密度频率响应随悬臂梁的振动频率、外电路阻抗、挠曲电层厚度以及弹性层模量的变化规律。聚偏氟乙烯和环氧树脂层合挠曲电悬臂梁俘能器模型的数值结果表明输出电压频率响应和功率密度频率响应在共振频率点取得最大值，且随着各阶模态对应的共振频率的增加悬臂梁挠曲电俘能器的输出电压和功率密度均增加。此外，计算结果还表明悬臂梁俘能器存在最佳匹配阻抗，在匹配阻抗附近悬臂梁俘能器的输出功率密度随挠曲电层厚度的减小而增大，表现出明显的尺寸效应。本文工作提供了一种基于挠曲电效应的悬臂梁俘能器的理论模型，为悬臂梁俘能器的设计提供了理论依据。
2020 Vol. 41 (2): 159-169 [
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170
SMA智能混凝土材料裂缝修复机理及试验研究
张亚楠，李军超，王庆菲，刘兵飞
混凝土结构的裂缝产生与扩张一直是土木工程领域亟待解决的难点问题之一。本文将形状记忆合金（SMA）材料植入混凝土材料中，构成一种基于SMA驱动的智能混凝土材料。由于形状记忆合金具有伪弹性，在混凝土产生裂缝的同时SMA将会产生回复力，阻碍裂缝的产生和扩展，根据SMA的形状记忆效应，在材料产生裂缝后对材料进行加热，其回复力将会起到修复裂缝的作用。文章分别对SMA智能混凝土材料的裂缝修复机理和裂缝修复试验进行研究，讨论了不同尺寸试件的裂缝修复过程和裂缝修复程度。本文研究可为形状记忆合金智能混凝土材料的进一步优化设计和工程应用提供理论指导。
2020 Vol. 41 (2): 170-181 [
摘要
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182
辐照准空位对金属玻璃增韧的影响
周志昆,朱笔达， 黄敏生
通过低能离子辐照，金属玻璃中会产生类似空位的微观结构缺陷，称为准空位。论文基于分子动力学模拟，研究了引入准空位的Cu50Zr50金属玻璃在单轴拉伸下的塑性变形行为，讨论了准空位的体积分数、分布区域对金属玻璃增韧效果的影响，探究了准空位在不同循环载荷作用下对金属玻璃的增韧效果。研究结果表明：引入准空位可以有效地增强金属玻璃的韧性；随准空位体积分数的增大，金属玻璃的变形模式发生了从脆性剪切破坏到均匀塑性变形的明显转变，使金属玻璃发生韧脆转变的临界准空位体积分数约为0．5％；准空位分布范围更广时，增韧效果更好；在循环载荷作用下，准空位的引入对金属玻璃韧性的提高仍然明显，当拉伸应变达到30％时，依旧能观察到非常均匀的塑性变形。对于一般的金属和合金，辐照引入的空位和间隙原子以及由此进一步演化形成的孔洞、析出相、位错环或层错四面体通常使得材料更加脆化。然而，对于金属玻璃而言，辐照形成的空位不易扩散和进一步演化，反而可能增加该材料的韧性。
2020 Vol. 41 (2): 182-192 [
摘要
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编辑部公告
Acta Mechanica Solida Sinica入选2021年国际影响力TOP期刊榜单
祝贺！AMSS和《固体力学学报》编委清华大学张一慧教授喜获第三届“科学探索奖”
祝贺！《固体力学学报》编委湖南大学姜潮教授喜获第三届“科学探索奖”
2020年度Acta Mechanica Solida Sinica 影响因子达到2.161
重要通知
固体力学学报2020年第2期和第3期刊出《固体材料的多尺度与多场耦合力学》专辑
Acta Mechanica Solida Sinica (AMSS) 入选“2019中国最具国际影响力学术期刊”
余寿文教授、黄玉盈教授获得AMSS特别贡献奖（Special Contribution Award）
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