《金属材料非平衡相变的热-动力学协同效应与调控》

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该项目属于金属材料加工工程科学领域。

金属热加工通过相变决定材料最终组织和性能。随非平衡技术快速发展,热加工工艺趋于极端化和多样化,控制相变的热力学与动力学机制从简单近平衡条件下的相对独立转变为复杂远平衡条件下的高度关联。基于热-动力学独立处理的传统理论已无法应对上述相变涉及的机理描述、组织预测和过程控制。这已然成为高端制造业迫切需要解决的关键问题,也给金属材料非平衡相变研究带来了挑战和机遇。为此,该项目提出了热-动力学协同作用的新理念,建立了系统理论,发现了复杂体系的相变规律和组织形成机制,突破了基于相变调控的关键技术。主要发现点如下:

1、发现了与非平衡相变路径相关的热-动力学效应以准确描述相变机理。发现并定量表征了与相变路径相关的热-动力学效应,建立了多元浓溶液合金非平衡凝固理论模型,扩展了传统可加性原理及等动力学概念,发展了基于新相与母相间错配的固态相变热-动力学框架,更为精确地描述了相变机理。该成果被广泛应用于钢铁热加工、高温合金相析出、电池材料分解等复杂相变问题;荷兰皇家科学院院士van der Zwaag在专著《Phase Transformations in Steels》中称该方法是“全面且普适的模型,提供了准确可靠的动力学参数确定方法”。

2、提出了非平衡凝固与固态相变一体化的概念以准确预测组织形成。发现了非平衡凝固热-动力学竞争的本质,提出了非平衡凝固与固态相变一体化的概念,准确预测了晶粒细化的动力学过程,实现了DD3高温合金制备的热-动力学协同,在不降低力学性能的前提下省却了传统工艺必需的热处理过程。俄罗斯科学院Sobolev教授将该成果作为处理非平衡凝固溶质及热传输的代表性工作在ACTA MATER等期刊24次引用。中国工程院院士薛群基等将该成果应用于非平衡凝固效应下形核、长大及晶体缺陷控制的研究。

3、揭示了非平衡相变热-动力学的协同作用机制以准确控制相变过程。发现了非平衡相变中溶质与缺陷的交互作用机制,提出了基于热-动力学协同的相变调控新思路,建立了工艺参数同热-动力学函数耦合的相变路径设计方法,实现了晶界及位错的稳定性调控,以及工程合金中面向复杂工艺流程的组织控制。美国工程院院士Koch评价该成果是纳米晶热-动力学复合稳定化的两个代表性工作之一;相变调控方法应用于宝钢155Ksi高强韧套管钢,大幅缩短了研发周期,材料0℃横向冲击韧性比国内外同类产品高50%。

该项目在金属结构材料领域TOP1刊物ACTA MATER等刊出的8篇代表性论文被NATURE、NATURE COMMUN、PHYS REV LETT等期刊他引356次(SCI他引279次),2篇入选ESI高被引论文。在世界青年科学家先进材料大会等重要学术会议作邀请报告30余次。项目提出的相变调控技术获国家授权发明专利4件。部分成果获2011年陕西省科学技术一等奖。

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