导读: 材料的强度取决于它们被测试的速度，因为缺陷，例如位错，响应施加的应变而移动，具有固有的动力学限制。随着变形应变率的增加，更多的强化机制被激活，强度随之提高。然而，这种转变发生的状态很难用传统的微机械强度测量来获得。这里，在应变率大于106 s−1且没有冲击合并的情况下进行微弹道冲击测试，我们发现温度升高157°C，铜的强度增加了约30%，纯钛和金也有这种效果。这种效应是违反直觉的，因为几乎所有的材料在正常条件下加热时会变软。几种纯金属之间的这种异常热强化是控制变形机制发生变化的结果，从热激活强化到位错的弹道输运，位错通过声子相互作用经历阻力。这些结果为更好地模拟和预测材料在各种极端应变率条件下的性能指明了一条途径，从高速制造操作到高超音速运输。
金属通常在高温下变软，因为控制强度的缺陷运动，位错，是热激活的：温度有助于这些可塑性载体在晶格中移动，并绕过任何障碍物。随着应变速率超过104 s-1，更多的变形机制可能变得活跃起来；这些机制通过位错阻力控制的塑性贡献了明显的强度增加。了解这些高应变速率下的材料性质对于设计和工程制造用于极端条件下的新材料至关重要。在高于104 s-1的变形速率下常见于高超声速陨石撞击、高速金属加工、喷砂和侵蚀以及冷喷涂等金属增材制造过程。在极高速率下占主导地位的阻力机制是有趣的，因为它们不像上文描述的热激活机制那样受速率限制；相反，它们被预期为一种弹道位错输运模式。在这个极端范围内，金属实际上可能不会在高温下变软，这种行为与几十年来在较不极端条件下的研究相矛盾，是反直觉的。不幸的是，有关极端应变速率变形机制的实验数据相当稀缺，这是因为测量工具存在限制，无法获得极端应变速率的数据。Kolsky杆、飞行板、冲击冲击、高功率激光脉冲、无冲击等熵压缩实验和气体炮驱动弹丸等方法是通常在宏观样品上进行的（从几毫米到几百毫米不等），需要高冲击速度（数百米每秒）以诱导这些大应变速率。总的来说，这些方法提供的定量测量通常在约104 s-1的应变速率结束。在更高的速率下，这些方法更多地用于研究材料的剥落和在冲击期间材料中的强烈冲击效应。我们不知道有没有数据能够分离出冲击效应，并展示在高应变速率下热激活软化的损失。 过去十年中光驱动微球系统的进步使得将1-50微米大小的冲击物加速到1000米/秒以上成为可能，产生106至109 s-1的极端应变速率，这些速率与例如离散位错和分子动力学模拟相同数量级的应变速率。值得注意的是，由于测试的小尺度，这些速率可以在不必进入许多其他快速实验测试方法中所特征的强冲击区域的情况下实现，从而清洁地评估极端速率下的材料强度。现在至少有两种不同的方法可以利用这些测试从受影响的基板中提取强度的定量度量：动态屈服强度可以从冲击物的回弹行为中提取出一系列速度，动态硬度值可以根据冲击坑尺寸的后续测量来测量。在这项工作中，麻省理工学院Ian Dowding与Christopher A Schuh教授团队在极端速率下获得了这些强度测量值，为探索预期在那里占主导地位但在数量上未充分探索的阻力机制打开了大门。相关研究成果以“Metals strengthen with increasing temperature at extreme strain rates”发表在Nature上
链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07420-1三种氧化铝颗粒在20°C(蓝色)，100°C(橙色)和177°C(红色)下撞击铜衬底的撞击和反弹轨迹。随着温度的升高，撞击颗粒的回弹速度增大，这可以从绘制的回弹轨迹和回弹后600ns颗粒的灰色插图中看出。用三维激光扫描显微镜测量的每个碰撞坑的平面和线扫描视图插图表明，随着温度的升高，坑的深度和宽度减小。比例尺，5 μm。a，冲击速度与CoR的关系，vr/vi，在双对数尺度上绘制了一系列冲击速度。在整个撞击速度范围内，高温下的撞击导致了更快的反弹。实线表示理想塑性冲击随拟合参数Yd随温度增加的标度规律。测量速度的不确定度为±2%，与数据标记的大小相同。b，根据变形应变率绘制每次冲击的动态硬度测量值。阴影区域作为眼睛的向导，显示每个温度下大多数硬度值下降的地方。与强度一样，硬度随温度升高呈上升趋势，测量不确定度与数据标记的大小相同。在固定应变速率为107 s−1的温度范围内，计算纯铜各强度项的贡献。在这种极端应变速率下，位错阻力强化的增加幅度大于所有其他强度项的下降幅度，导致总强度随温度的净增加。实验数据点(用红色表示)与各强度分量的总和得到的总强度吻合得很好。实验数据点上的误差条是强度测量的标准偏差。蓝色和红色虚线作为眼睛连接硬度值的指南，硬度值是从参考文献20的强度值转换而来(开圆圈)，在低速率下和动态硬度值从这个工作(填充圆圈)。根据补充资料中的模型，铜的塑性表观活化能Qapp(黑色实线)也绘制为恒定温度为20℃时应变速率的函数。在大约低于105 s−1的速率下，Qapp从正变为负，这表明热激活的位错运动，这是声子阻力存在的必要条件之一。本研究结论如下：尽管类似于此处使用的模型在文献中已存在多年，但微球测试为在极端应变速率下量化测量材料的强度和硬度提供了新的机会，不会受到强冲击物理学引起的复杂因素的影响。这不仅提供了测试这些模型的机会，就像在这里所做的那样，而且潜在地可以快速校准它们以适用于新材料和情境。当前三种纯金属的数据为针对那些难以获取的机制进行专注研究提供了一个起点。在高应变速率下纯金属表现出显著的热硬化的结果，也提到了针对极端条件下材料设计的新策略；将常规强度测量外推到极端条件下可能不仅会导致强度期望值不正确，甚至会导致这些强度的方向依赖性不正确。例如，尽管在低应变速率下纯铜是一种软金属，并且通常会预期在高温下软化，但在这里测量的107 s-1和177°C条件下，铜的强度超过了300 MPa；这与304不锈钢在这个温度下的常规强度相当。因此，当前的结果支持了对于极端条件下材料优化的新思维模式的呼吁。 本文来自材料学网微信公众号，欢迎友好转载，转载请联系后台，未经许可，谢绝转载
