第一作者：Ian Dowding

通訊作者：Christopher A. Schuh

通訊單位：麻省理工學院、西北大學

Christopher A. Schuh，男，冶金學家，麻省理工學院材料科學與工程系的系主任及冶金教授，美國工程院院士。1997年獲得俄班那香檳城伊利諾大學材料科學與工程學士學位，2001年獲得西北大學材料科學與工程博士學位，發表了300多篇論文和數十項專利。

Schuh教授與他人共同創立了Xtalic、Desktop Metal和Veloxint等多家冶金公司，其中，成立于2015年的3D打印系統技術公司Desktop Metal在2019年的估值為15億美元，被譽為美國歷史上增長最快的“獨角獸”。

論文速覽

傳統上，材料的強度會隨著溫度的升高而降低，因為溫度有助于缺陷（例如位錯）在晶體格點中的運動，從而繞過障礙物。傳統的微機械強度測量很難獲得發生轉變的區域。

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

通過微球撞擊測試，在超過10⁶ s^-1的應變率下，展示了銅（Cu）在溫度升高157 °C時強度增加了約30%，這一效應也在純鈦（Ti）和金（Au）中觀察到。這一反常的熱強化現象是由于控制變形機制從熱激活強化轉變為位錯的彈道傳輸，位錯通過與聲子的相互作用產生阻力。

圖文導讀

圖1：沖擊軌跡和撞擊坑。

圖2：Cu的動態強度和硬度。

圖3：每種增強機制的貢獻。

圖4：塑性表觀活化能。

總結展望

本研究的亮點在于揭示了在極端應變率條件下，純金屬（Cu、Ti和Au）表現出與常規條件下相反的熱強化行為。實驗數據顯示，在超過10⁶ s^-1的應變率下，Cu的強度隨著溫度的升高而增加了約30%，該現象在純Ti和Au中也得到了觀察。

研究結果對于理解和預測材料在高速制造操作、超音速運輸等極端條件下的性能具有重要意義。此外，本研究還為設計和工程新材料提供了新的視角，提示了不能簡單地將傳統條件下的材料強度測量結果外推到極端條件下，因為這樣做可能會導致對材料強度的錯誤預期，甚至是錯誤的方向。

文獻信息

標題：Metals strengthen with increasing temperature at extreme strain rates

期刊：Nature

DOI：10.1038/s41586-024-07420-1