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(fā)表了300多篇論文和數十項專利。

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(tǒng)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(tǒng)的微機械強度測量很難獲得發(fā)生轉變的區(qū)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(tǒng)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?yōu)槲诲e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(tài)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(guī)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(tǒng)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