​这篇Nature,违反直觉!金属加热会变硬?
米测 技术中心 纳米人 2024-06-06

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原创丨米测MeLab

编辑丨风云


材料的强度取决于被测试的速率,因为响应施加的应变而移动的缺陷(例如位错)具有内在的动力学限制。随着变形应变速率的增加,更多的强化机制变得活跃并增加强度。然而,这种转变发生的机制很难通过传统的微观机械强度测量来获得。


基于此,麻省理工学院Christopher A. Schuh等人通过在应变率大于106 s-1 且没有冲击混合的情况下进行微弹道冲击测试,发现当温度升高157°C时,铜的强度会增加约30%,纯钛和金中也观察到了这种效果。这种效果是违反直觉的,因为几乎所有材料在正常条件下加热时都会变软。几种纯金属的这种异常热强化是由于控制变形机制从热激活强化转变为位错的弹道传输而引起的,位错通过声子相互作用受到阻曳。这些结果为更好地建模和预测各种极端应变率条件下(从高速制造操作到高超声速运输)的材料性能指明了一条途径。    

          

强度和硬度的定量测量

作者使用激光诱导颗粒冲击试验进行了高应变率微机械冲击实验,结果表明,随着测试温度的升高,颗粒的反弹更加剧烈,铜在较高温度下具有较高的强度。热硬化的两个独立特征(回弹增加和缩孔体积减少)都可以通过定量分析来提取强度测量值。通过分析测试温度对CoR曲线及其封装的动态屈服强度的影响,可以看到在整个测试速度范围内,温度会促进铜的更大反弹。随着温度的升高,铜的动态屈服强度在约 150°C 的范围内增加约 30%。在定量且无强冲击效应的实验中显示了应变率大于106 s1 时的异常温度依赖性。纯金和钛中也观察到了相同的趋势,在极端应变率下,所有三种金属在加热时都会硬化。    

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图  撞击轨迹和撞击坑


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图  铜的动态强度和硬度 

          

变形机制

在实验应变率107s-1下,纯金属中的流动强度可以分解为三个部分:热强化、无热强化和拖拽强化,作者绘制了这三种强化机制的贡献:

  • 热强度分量来自位错与短程势垒(佩尔斯-纳巴罗势垒、空位)的相互作用,可以通过热波动完全克服。该强度可以计算为温度和应变率的函数,并遵循传统的热激活随温度变化的软化趋势;
  • 非热强度分量来自于位错运动的其他障碍,这些障碍无法单独通过热波动来克服。铜的总非热强度分量可以使用应变率为107s1 的标准模型进行计算,再次呈现随温度软化的趋势。
  • 最终强度成分,即阻力强化,来自晶格中位错与声子的相互作用。这种相互作用导致异常热强化,因为较高的温度会增加声子的能级,从而增加位错与声子的相互作用。

作者通过评估可塑性的表观活化能 Qapp 来评估金属强化机制过渡交叉的假定位置,表明临界应变率接近 105s1    

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图  每个强化机制的贡献


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图  塑性的表观活化能


参考文献:    

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    

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