金属和陶瓷等晶体材料变形过程在微观尺度主要表现为点、线、面、三维等多维缺陷的相互作用和协同演变，微观多维缺陷是决定宏观力学性能的内在因素。上世纪学者主要采用宏观尺度本构建模预测材料力学行为与性能，本世纪随着计算机日益普及且性能快速提升，方向逐渐转变为通过建立基于微观机制本构模型、开展微观多维缺陷时空演变模拟，研究材料变形机理并预测力学性能。该方向在理论、数学建模、数值实现等方面均十分复杂，迄今仍是固体力学与结构强度等领域的研究热点与难点。

近日，西北工业大学力学与土木建筑学院巫荣海副教授在该方向上取得进展，结合热力学、弹塑性力学、损伤力学等理论，借助相场法框架建立了一种耦合位错、相组织和损伤的新型高温蠕变本构模型，开发了具有自主知识产权的数值模拟代码，并成功应用于镍基单晶高温合金蠕变研究。所模拟的位错、相组织和损伤等微观缺陷时空演变，及宏观蠕变曲线、最小蠕变速率等均与实验结果基本一致（如图1和2所示）。基于长短程应力、应变和能量场，定量分析了多维缺陷相互作用机制，深化了对镍基单晶高温合金蠕变机理的认识（如图3所示）。此外，论文还解决了当第二相发生形貌演变时，合理处理环绕第二相位错协同演变的“swallow-gap”难题。相关研究成果以题为“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)发表于《International Journal of Plasticity》,该期刊是固体力学、机械工程等领域公认的顶级期刊。

该研究受国家自然科学基金(12002275)和陕西省自然科学基金(2020JQ125)资助。论文的第一和通讯作者为巫荣海副教授，第二作者张宇凡为我院力学专业2016级本科和2020级硕士，体现了我院学生培养水平不断提高。巫荣海副教授主要采用分子动力学、位错动力学、相场建模、宏观唯象建模、机器学习等多尺度计算模拟方法解决材料变形损伤与寿命预测相关科学和工程问题，该成果是近期继JMPS论文《Thermodynamic considerations on a class of dislocation-based constitutive models》（https://doi.org/10.1016/j.jmps.2021.104735）之后的又一重要成果。

图1 镍基单晶高温合金相随蠕变过程的演变

图2 （a）平均位错密度演变；（b）蠕变曲线

图3 蠕变中的长短程应力、应变和能量场

（文：巫荣海、张宇凡，核：温世峰）