拟提名陕西自然科学奖项目公示内容项目名称精密.docx
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拟提名陕西自然科学奖项目公示内容项目名称精密
2019年度拟提名陕西省自然科学奖项目公示内容
一、项目名称
精密塑性变形构件形性调控理论与方法研究
二、提名者及提名意见
提名者:
陕西省教育厅
提名意见:
形性调控难是金属材料塑性变形最难突破的瓶颈。
随着航空航天、海洋工程与船舶发展的迫切需求,与塑性变形紧密相关的大量科学问题亟待解决。
该项目组在国家自然科学基金、国家重点基础研究计划课题等资助下,深入系统研究了高端金属结构材料塑性流动,形成了多尺度塑性变形理论,应用于关键构件塑性变形过程调控,取得了重要突破。
在多尺度塑性流动、耦合机制与形性一体化调控等方面取得了系统创新性成果,创立了三尺度效应下微观组织模型,提出了微观组织效应下塑性流动失稳准则,揭示了力场、温度场与激光、置氢效应下多尺度耦合作用机制,发现了塑性变形制造全过程中宏观变形/传热与微观组织的交互作用规律,为解决塑性变形制造的若干关键科学问题提出了新理论和新方法。
该项目出版学术专著2本,在本领域国际权威学术期刊发表SCI论文130篇,8篇代表性论文SCI正面他引404次。
该项目成果得到了国际学术界的广泛认可和引用,产生了重要国际影响,应用于大飞机等关键塑性变形构件制造,产生了显著社会经济效益。
推荐该项目为陕西省自然科学奖壹等奖。
三、项目简介
精密塑性变形是国际机械工程、航空航天、舰船与海洋工程、材料科学领域的前沿挑战性研究课题,多尺度塑性流动及形性调控研究是突破传统塑性变形理论、创新精密塑性变形方法、制造航空航天海洋高端装备的重要基础,具有重要的科学与工程应用价值。
本项目研究历时10余年,在国家自然科学基金、国家973课题等资助下,深入系统研究了金属材料塑性流动机理及形性演变规律,形成了多尺度下精密塑性变形理论及方法,成功应用于国家重大工程中主承载构件的塑性变形制造过程调控,取得了重要突破和进展。
主要科学发现与贡献包括:
(1)创立了宏观/微观/纳观三尺度下高温塑性变形过程中微观组织演变的内变量模型。
建立了变形温度和变形速率下位错密度变化率模型和晶粒尺寸模型,推导出以微观组织参数为内变量的塑性变形本构关系模型,使得三尺度下塑性流动行为的直接耦合分析成为现实。
(2)提出了高温塑性变形过程中微观组织演变作用下塑性流动失稳准则。
建立了以晶粒尺寸参数为内变量的粘弹塑性材料模型,推导出高温塑性变形过程中能量耗散率模型和塑性流动失稳参数模型,构建了多种金属材料高温塑性变形时的热加工图。
(3)阐明了力场和温度场与激光和置氢对塑性流动行为的多尺度作用机制。
建立了钛合金激光变形时的热负荷向量模型和温度场模型,阐明了置氢钛合金高温塑性变形时的增塑机制,探明了激光和置氢下塑性变形后力学性能的增强效应。
(4)发现了精密塑性变形制造全过程中宏观塑性变形/传热与微观组织演变的交互作用机制。
掌握了大型复杂精密塑性变形构件的形性形成轨迹,优化了塑性变形制造全过程中分阶段过程参数。
本项目在国内外学术期刊上发表SCI论文130篇,8篇代表性学术论文SCI正面他引404次;引文作者有中国工程院聂祚仁院士、徐滨士院士,英国皇家科学院和皇家工程院H.K.D.H.Bhadeshia院士,德国国家科学与工程院F.Vollertsen院士、澳大利亚工程院功勋奖章获得者P.G.Hodgson院士等16位院士;在国内外学术会议上作邀请报告10余次,创办了“金属材料及加工”国际学术会议(InternationalConferenceonMetallicMaterialsandProcessing),分别在中国、美国、澳大利亚等地连续举办了四届“金属材料及加工”国际学术会议;出版学术专著《钛合金精密锻造》、《置氢钛合金高温变形》2本;获授权国家发明专利3项、计算机软件著作权登记2项。
本项目培养中组部领军人才1人,人社部百千万人才1人,陕西省科技新星1人,陕西省优博3人。
本项目研究成果应用于塑性变形领域的工程实践,为解决我国航空航天海洋高端装备中关键塑性变形构件的制造难题奠定了理论基础,有力推动了我国机械工程及相关学科的发展,显著增强了本学科的国际影响力。
四、客观评价
本项目的代表性客观评价主要表现在以下二个方面。
1.学术客观评价:
(1)澳大利亚迪肯大学教授、澳大利亚工程院功勋奖章获得者P.G.Hodgson院士等【MaterSciEngA,2015,648:
265】指出,“就作者所知,由于存在非均匀变形行为和复杂的微观组织演变,逐渐尝试采用物理方法预测Ti6Al4V合金的流动行为。
罗等基于物理的内变量方法将材料的性质与材料的微观组织演变和变形机制相关联,预测Ti6Al4V合金每个相的流动行为”
(2)英国牛津大学R.C.Reed教授等【ActaMater,2015,95:
428】指出,“通常,针对金属材料本构关系建模的材料模型可分为经验模型和物理模型。
基于物理内变量模型(ISVs)属于第二类。
这种方法采用大量的动态方程描述金属材料宏观行为,动态方程代表了潜在的塑性流动机制。
可以找到许多针对不同金属材料建模的相关文章-对于单相材料和多相材料。
本文采用这种建模方法开展研究”。
同时,在同一篇文章中采用了本项目建立的晶粒细化数学模型,研究Ti6Al4V钛合金的超塑性行为、模型及应用。
(3)印度科学院教授、印度国家科学院和工程院Y.V.R.K.Prasad院士等在《HotWorkingGuide:
ACompendiumofProcessingMaps》【ASMInternational,2015】一书中全文收录了本项目构建的TC11、TC6、Ti-17合金热加工图,上述热加工图的构建采用的是本项目创建的微观组织效应下塑性流动失稳参数模型。
(4)美国卡纳基梅隆大学教授A.D.Rollett等【IntJPlasticity,2017,94:
57】引用本项目研究成果,指出“β钛合金在变形初期的变形机制是β相区的动态回复和α+β相区的几何动态再结晶,导致了本文提出机械阈值应力模型在单相区的预测精度高,在两相区的预测精度低。
”同时,采用了上述试验结果验证了建立的模型的预测精度。
(5)德国不莱梅大学教授、德国国家科学与工程院F.Vollertsen院士等【CompMaterSci,2009,46:
834-840】指出,“季和吴发展了板材激光扫描过程中分析温度场的数值模型,研究了激光功率、扫描速度、板材厚度等过程参数的影响。
2002年,陈等以非Fourier传热方程为基础,考虑传热速率对温度分布的影响,建立了金属激光成形制造过程中温度场的计算模型。
该研究工作讨论了时间步长对计算结果的影响”。
(6)英国曼彻斯特大学教授、英国皇家工程院L.Li院士等【OptLaserTechnol,2007,39:
1101;JManufSciEng,TransASME,2007,129:
592】,采用了本项目提出的金属材料激光变形热负荷向量模型对不锈钢AISI304L管材激光弯曲过程进行数值模拟,研究激光功率、光斑直径、扫描速度、扫描次数以及光束形状对弯曲角、变形和应力分布的影响,为不锈钢AISI304L管材的激光弯曲制造奠定了重要基础。
(7)挪威科技大学教授、挪威皇家科学院H.J.Roven院士等【MaterDes,2009,30:
1939】指出,“在现在研究中,采用下述方法获得参数。
首先,采用文献方法和实验数据对镁合金AZ31D的热激活能Q值进行计算”。
在此基础上,建立镁合金AZ31D高温塑性变形时的塑性变形本构关系模型。
(8)英国剑桥大学教授、英国皇家科学院和皇家工程院H.K.D.H.Bhadeshia院士等采用本项目建立的超高强度钢奥氏体晶粒尺寸模型,深入研究了核压力容器用钢的奥氏体晶粒长大规律。
(9)印度理工学院(孟买)教授、印度国家工程院B.P.Kashyap院士等采用本项目提出的变形温度升高计算方法和获得的Ti600合金热激活能数据,对IMI834钛合金热加工行为的数学模型进行了研究,并解释了观察到的剪切带失稳是由于绝热温度升高的作用【ProgNatSci:
MaterInter,2013,23:
598】。
同时,澳大利亚技术科学与工程院A.K.Tieu院士。
(10)英国南安普顿大学教授、英国皇家工程院T.G.Langdon院士等【MaterSciEngA,2015,634:
64】,采用本项目提出的“当塑性变形结构中为形核和长大提供了足够的时间和能量,塑性变形后将发生静态回复(SRV)和静态再结晶(SRX)”论述,解释了纳米纯钛在动态条件下温度对微观组织稳定性和力学性能影响的实验结果。
德国不莱梅大学教授、德国国家科学与工程院F.Vollertsen院士等【CompMaterSci,2009,46:
834】指出,“钛合金和铝合金在工业中得到广泛应用。
因此,许多研究者研究了这些材料的激光变形”。
(11)装甲兵工程学院教授、中国工程院徐滨士(B.S.Xu)院士等【JMaterEngPerf,2014,23:
2293】指出,“图7是基体金属和连接接头的典型工程应力-应变曲线。
这种没有明显屈服阶段就由弹性变形阶段直接进入塑性变形阶段的现象已经由吴等发现”。
2.应用客观评价:
西安晟航机电设备有限公司的应用研究表明,本项目成果成功应用于航空航天、石化、机电行业高温塑性成形技术开发平台的核心装备制造与改造。
以钛合金精密锻件为例,利用改造后的装备平台,生产时间缩短10%,生产效率提高20%,能耗降低15%,零件精度提高15%,制造成本降低20%,取得了显著的社会经济效益。
五、代表性论文专著目录(不超过8篇)
序号
论文专著
名称
刊名
作者
年卷页码(xx年xx卷xx页)
发表时间
通讯作者
第一作者
国内作者
SCI他引次数
他引总次数
知识产权是否归国内所有
1
Constitutivemodelforhightemperaturedeformationoftitaniumalloysusinginternalstatevariables
MECHANICSOFMATERIALS
JiaoLuo,MiaoquanLi,XiaoliLi,YanpeiShi
2010年42卷2期157-165页
2010年02月01日
MiaoquanLi
JiaoLuo
罗皎,李淼泉,李晓丽,史延沛
66
82
是
2
Theflowbehaviorandconstitutiveequationsinisothermalcompressionof7050aluminumalloy
MATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGA
B.Wu,M.Q.Li,D.W.Ma
2012年542卷79-87页
2012年04月30日
M.Q.Li
B.Wu
吴斌,李淼泉,马冬威
67
69
是
3
EffectofthestrainonthedeformationbehaviorofisothermallycompressedTi-6Al-4Valloy
MATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGA
JiaoLuo,MiaoquanLi,HongLi,WeixinYu
2009年505卷1-2期88-95页
2009年04月15日
MiaoquanLi
JiaoLuo
罗皎,李淼泉,李宏,于卫新
52
68
是
4
Effectofthestrainonprocessingmapsoftitaniumalloysinisothermalcompression
MATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGA
JiaoLuo,MiaoquanLi,WeixinYu,HongLi
2009年504卷1-2期90-98页
2009年03月25日
MiaoquanLi
JiaoLuo
罗皎,李淼泉,于卫新,李宏
35
46
是
5
ThevariationofstrainratesensitivityexponentandstrainhardeningexponentinisothermalcompressionofTi-6Al-4Valloy
MATERIALS&DESIGN
JiaoLuo,MiaoquanLi,WeixinYu,HongLi
2010年31卷2期741-748页
2010年02月01日
MiaoquanLi
JiaoLuo
罗皎,李淼泉,于卫新,李宏
42
53
是
6
Thegrowthbehaviorofaustenitegrainintheheatingprocessof300Msteel
MATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGA
S.S.Zhang,M.Q.Li,Y.G.Liu,J.Luo,T.Q.Liu
2011年528卷15期4967-4972页
2011年06月15日
M.Q.Li
S.S.Zhang
张赛赛,李淼泉,刘印刚,罗皎,刘天琦
40
52
是
7
HightemperaturedeformationbehaviorofanearalphaTi600titaniumalloy
MATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGA
YongNiu,HongliangHou,MiaoquanLi,ZhiqiangLi
2008年492卷1-2期24-28页
2008年09月25日
MiaoquanLi
YongNiu
牛勇,侯红亮,李淼泉,李志强ongNiu,HongliangHou,MiaoquanLi,ZhiqiangLi
45
69
是
8
FEMsimulationofthetemperaturefieldduringthelaserformingofsheetmetal
JOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY
ZhongJi,ShichunWu
1998年74卷89-95页
1998年02月01日
ShichunWu
ZhongJi
季忠,吴诗惇
57
71
是
合计
404
510
六、主要完成人情况(不超过6人)
姓名
排名
行政职务
技术职称
工作单位
完成单位
对本项目贡献
李淼泉
1
无
教授
西北工业大学
西北工业大学
本项目负责人。
阐明塑性流动机制和场效应下增塑或增强效应,提出形性演变规律和调控方法。
代表性论著2~8。
罗皎
2
系主任
教授
西北工业大学
西北工业大学
阐明钛合金塑性流动机制,建立其塑性流动失稳模型。
代表性论著2、4、7、8。
李宏
3
无
副研究员
西北工业大学
西北工业大学
阐明钛合金和钢塑性流动机制及建立数学模型。
代表性论著4、7、8。
吴诗惇
4
无
教授
西北工业大学
西北工业大学
建立钛合金激光变形时热负荷向量模型。
代表性论著1。
侯红亮
5
无
研究员
中国航空制造技术研究院
中国航空制造技术研究院
阐明置氢钛合金塑性流动机制。
代表性论著5。
七、主要完成单位情况(不超过3个)
完成单位
排名
对本项目主要贡献(限600字)
西北工业大学
1
负责本项目提出总体研究思路、研究方案和实施全部研究工作。
(1)完成钛合金、高温合金和铝合金高温变形,钛合金激光变形试验研究。
(2)完成高温变形,激光变形时塑性流动行为和微观组织参数表征。
(3)完成典型塑性变形过程耦合数值模拟。
(4)建立高温变形时的多尺度微观组织模型和本构关系模型。
(5)提出高温塑性变形时的流动失稳准则。
(6)阐述多场耦合条件下的塑性流动机制与增塑、增强效应。
(7)发现大型复杂构件塑性变形过程中的形性形成轨迹。
中国航空制造技术研究院
2
协助本项目实施研究方案。
(1)完成钛合金固态置氢试验研究。
(2)完成钛合金高温变形试验研究。
(3)共同建立高温变形的本构关系模型。
八、完成人合作关系说明
项目第一完成人李淼泉与罗皎、李宏、吴诗惇系西北工业大学材料学院同一项目组成员,李淼泉为项目组负责人。
吴诗惇是本项目组创建人,是李淼泉博士学位论文指导老师,合著发表学术论文。
罗皎、李宏分别自2005年和2008年起,在李淼泉指导下从事本项目研究工作,合著发表学术论文和专著、共同知识产权、共同立项科研项目。
完成人侯红亮直接参与了置氢钛合金高温塑性变形行为研究,合著完成学术论文。
本人作为项目第一完成人,对本项目完成人合作关系及上述内容的真实性负责,特此声明。
- 配套讲稿:
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- 提名 陕西 自然科学 奖项 公示 内容 项目 名称 精密