第一作者：Ian Dowding

通訊作者：Christopher A. Schuh

通訊單位：麻省理工學(xué)院、西北大學(xué)

Christopher A. Schuh，男，冶金學(xué)家，麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系的系主任及冶金教授，美國(guó)工程院院士。1997年獲得俄班那香檳城伊利諾大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)士學(xué)位，2001年獲得西北大學(xué)材料科學(xué)與工程博士學(xué)位，發(fā)表了300多篇論文和數(shù)十項(xiàng)專(zhuān)利。

Schuh教授與他人共同創(chuàng)立了Xtalic、Desktop Metal和Veloxint等多家冶金公司，其中，成立于2015年的3D打印系統(tǒng)技術(shù)公司Desktop Metal在2019年的估值為15億美元，被譽(yù)為美國(guó)歷史上增長(zhǎng)最快的“獨(dú)角獸”。

論文速覽

傳統(tǒng)上，材料的強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的升高而降低，因?yàn)闇囟扔兄谌毕荩ɡ缥诲e(cuò)）在晶體格點(diǎn)中的運(yùn)動(dòng)，從而繞過(guò)障礙物。傳統(tǒng)的微機(jī)械強(qiáng)度測(cè)量很難獲得發(fā)生轉(zhuǎn)變的區(qū)域。

本研究探討了材料在極端應(yīng)變率條件下的強(qiáng)度變化，在超過(guò)10⁴ s^-1的高應(yīng)變率下，更多的變形機(jī)制可能變得活躍，導(dǎo)致強(qiáng)度顯著增加。通過(guò)位錯(cuò)拖曳控制的塑性導(dǎo)致強(qiáng)度增加，與傳統(tǒng)的熱活化軟化行為相反。

通過(guò)微球撞擊測(cè)試，在超過(guò)10⁶ s^-1的應(yīng)變率下，展示了銅（Cu）在溫度升高157 °C時(shí)強(qiáng)度增加了約30%，這一效應(yīng)也在純鈦（Ti）和金（Au）中觀察到。這一反常的熱強(qiáng)化現(xiàn)象是由于控制變形機(jī)制從熱激活強(qiáng)化轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)的彈道傳輸，位錯(cuò)通過(guò)與聲子的相互作用產(chǎn)生阻力。

圖文導(dǎo)讀

圖1：沖擊軌跡和撞擊坑。

圖2：Cu的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和硬度。

圖3：每種增強(qiáng)機(jī)制的貢獻(xiàn)。

圖4：塑性表觀活化能。

總結(jié)展望

本研究的亮點(diǎn)在于揭示了在極端應(yīng)變率條件下，純金屬（Cu、Ti和Au）表現(xiàn)出與常規(guī)條件下相反的熱強(qiáng)化行為。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在超過(guò)10⁶ s^-1的應(yīng)變率下，Cu的強(qiáng)度隨著溫度的升高而增加了約30%，該現(xiàn)象在純Ti和Au中也得到了觀察。

研究結(jié)果對(duì)于理解和預(yù)測(cè)材料在高速制造操作、超音速運(yùn)輸?shù)葮O端條件下的性能具有重要意義。此外，本研究還為設(shè)計(jì)和工程新材料提供了新的視角，提示了不能簡(jiǎn)單地將傳統(tǒng)條件下的材料強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果外推到極端條件下，因?yàn)檫@樣做可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)材料強(qiáng)度的錯(cuò)誤預(yù)期，甚至是錯(cuò)誤的方向。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Metals strengthen with increasing temperature at extreme strain rates

期刊：Nature

DOI：10.1038/s41586-024-07420-1