特別說明：本文由米測(cè)技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。
原創(chuàng)丨米測(cè)MeLab
編輯丨風(fēng)云
材料的強(qiáng)度取決于被測(cè)試的速率，因?yàn)轫憫?yīng)施加的應(yīng)變而移動(dòng)的缺陷（例如位錯(cuò)）具有內(nèi)在的動(dòng)力學(xué)限制。隨著變形應(yīng)變速率的增加，更多的強(qiáng)化機(jī)制變得活躍并增加強(qiáng)度。然而，這種轉(zhuǎn)變發(fā)生的機(jī)制很難通過傳統(tǒng)的微觀機(jī)械強(qiáng)度測(cè)量來獲得。
基于此，麻省理工學(xué)院Christopher A. Schuh等人通過在應(yīng)變率大于106 s-1 且沒有沖擊混合的情況下進(jìn)行微彈道沖擊測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度升高157°C時(shí)，銅的強(qiáng)度會(huì)增加約30%，純鈦和金中也觀察到了這種效果。這種效果是違反直覺的，因?yàn)閹缀跛胁牧显谡l件下加熱時(shí)都會(huì)變軟。幾種純金屬的這種異常熱強(qiáng)化是由于控制變形機(jī)制從熱激活強(qiáng)化轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)的彈道傳輸而引起的，位錯(cuò)通過聲子相互作用受到阻曳。這些結(jié)果為更好地建模和預(yù)測(cè)各種極端應(yīng)變率條件下（從高速制造操作到高超聲速運(yùn)輸）的材料性能指明了一條途徑。
強(qiáng)度和硬度的定量測(cè)量
作者使用激光誘導(dǎo)顆粒沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了高應(yīng)變率微機(jī)械沖擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著測(cè)試溫度的升高，顆粒的反彈更加劇烈，銅在較高溫度下具有較高的強(qiáng)度。熱硬化的兩個(gè)獨(dú)立特征（回彈增加和縮孔體積減少）都可以通過定量分析來提取強(qiáng)度測(cè)量值。通過分析測(cè)試溫度對(duì)CoR曲線及其封裝的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度的影響，可以看到在整個(gè)測(cè)試速度范圍內(nèi)，溫度會(huì)促進(jìn)銅的更大反彈。隨著溫度的升高，銅的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度在約 150°C 的范圍內(nèi)增加約 30%。在定量且無強(qiáng)沖擊效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中顯示了應(yīng)變率大于106 ?s?1 時(shí)的異常溫度依賴性。純金和鈦中也觀察到了相同的趨勢(shì)，在極端應(yīng)變率下，所有三種金屬在加熱時(shí)都會(huì)硬化。
圖 撞擊軌跡和撞擊坑
圖 銅的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和硬度
變形機(jī)制
熱強(qiáng)度分量來自位錯(cuò)與短程勢(shì)壘（佩爾斯-納巴羅勢(shì)壘、空位）的相互作用，可以通過熱波動(dòng)完全克服。該強(qiáng)度可以計(jì)算為溫度和應(yīng)變率的函數(shù)，并遵循傳統(tǒng)的熱激活隨溫度變化的軟化趨勢(shì)； 非熱強(qiáng)度分量來自于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的其他障礙，這些障礙無法單獨(dú)通過熱波動(dòng)來克服。銅的總非熱強(qiáng)度分量可以使用應(yīng)變率為107?s?1 的標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行計(jì)算，再次呈現(xiàn)隨溫度軟化的趨勢(shì)。 最終強(qiáng)度成分，即阻力強(qiáng)化，來自晶格中位錯(cuò)與聲子的相互作用。這種相互作用導(dǎo)致異常熱強(qiáng)化，因?yàn)檩^高的溫度會(huì)增加聲子的能級(jí)，從而增加位錯(cuò)與聲子的相互作用。
作者通過評(píng)估可塑性的表觀活化能 Qapp 來評(píng)估金屬強(qiáng)化機(jī)制過渡交叉的假定位置，表明臨界應(yīng)變率接近 105?s?1。
圖 每個(gè)強(qiáng)化機(jī)制的貢獻(xiàn)
圖 塑性的表觀活化能
參考文獻(xiàn)：
Dowding, I., Schuh, C.A. Metals strengthen with increasing temperature at extreme strain rates. Nature (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07420-1
