【骨干成员】

乔利杰                  北京科技大学教授，杰青

高克玮                  北京科技大学教授、国家重点研发计划项目负责人

高    磊                 北京科技大学副研究员

【研究背景】

材料在服役过中由于受到周围环境的影响，往往会发生环境失效并导致严重的事故，给国民经济造成巨大损失。因此，进行材料环境失效（氢脆、应力腐蚀和摩擦磨损等）机制的研究对于提高材料在环境服役中的稳定性、可靠性具有重要意义。

【研究目标】

材料环境服役团队围绕工程结构材料和功能材料失效过程中环境多变、材料多样等特征，针对现有评价技术困难与方法效率低等难题，通过高通量实验和高通量计算技术对材料环境失效的机制和评价技术进行研究。通过组合材料芯片服役性能评价关键技术，多裂纹并行萌生过程中应力应变场演化规律研究技术，材料环境断裂的高通量计算机模拟技术以及微纳尺度功能材料表面保护涂层的高通量筛选技术，建立材料环境失效过程高效评价共性技术，突破“服役行为高通量评价”的技术瓶颈，实现环境失效过程评价周期缩短一半的目标。

【主要研究内容】

1. 组合材料芯片服役性能快速评价技术

2. 环境失效敏感性高通量评价技术

3. 应力场连续分布高通量表征技术

4. 高通量计算研究金属表面的阳极溶解行为

5. 高通量计算研究金属表面钝化膜的特性

6. 金属表面防护涂层的高通量快速筛选技术

【重要研究进展】

1.  膜致韧性基体开裂机理研究

   涂层被广泛地应用于恶劣服役环境下的材料基体保护，但会不同程度地降低材料的疲劳寿命，是制约其应用的一大瓶颈。通过陶瓷膜层的多裂纹并行萌生技术研究，发现TiN薄膜或WC-10%Co-4%Cr涂层的开裂可以导致韧性基体（纯铁、AISI 1020钢、黄铜、奥氏体不锈钢等）的解理开裂，如图1所示。基于解理断口以及动态断裂学分析，建立了膜致基体损伤机制解释了硬质膜层为何降低金属基体疲劳性能这一现象，为制备既提高耐磨耐蚀性能又不降低疲劳性能的涂层体系提供了理论依据。

    

   图1 (a) 1微米厚的TiN薄膜开裂导致黄铜基体的开裂；(b) 250微米厚的WC-10%Co-4%Cr涂层开裂导致纯铁基体的解理开裂。

    

2. 第一性原理高通量计算研究金属表面钝化膜的特性

   钝化膜通常是致密氧化物薄膜，它能够有效地保护基体材料。由于钝化膜结构、成分和特性的复杂性，目前还没有一个钝化膜理论能解释所有的钝化现象。因此，需要进一步加深对钝化膜相关理论的研究。通过第一性原理高通量计算研究了空位缺陷、掺杂元素和表面吸附原子等对氧化物薄膜特性的影响，并获得了不同氧化物薄膜及其界面与氢原子相互作用的规律。此外，通过第一性原理高通量计算分析氧化物薄膜的稳定性和电子输运特性，揭示了氧化物薄膜破裂与失效的机制，并为提高钝化膜特性、更加有效地保护基体材料提供理论指导。

    

   图2 (a) Cr₂O₃/Fe₂O₃界面原子结构图；(b) Cr₂O₃/Fe₂O₃界面中心八面体间隙捕获H原子示意图；(c) 不同缺陷捕获H原子后对功函数的影响规律。