科研新聞

北京大學工學院段慧玲課題組在金屬材料強度尺寸效應方面取得重要進展

2020-06-15

“越小越強 (Smaller is Stronger)” 是金屬材料的一個常見特性。晶體金屬材料的屈服強度與晶粒尺寸和樣品外觀尺寸相關。材料屈服強度隨晶粒尺寸減小而增加的現象由著名的Hall-Petch關系描述,然而,材料的屈服強度隨樣品外觀尺寸增加而減小直到變得與樣品尺寸無關這一重要特性的內在物理機制及統一描述卻是一個懸而未決的問題。

近日,工學院段慧玲教授課題組通過理論分析,研究了單晶體金屬材料發生塑性變形時位錯源激活與位錯運動的相互競爭機制對屈服強度的影響,并通過分析多晶體中晶界密度隨樣品尺寸的演化將經典Hall-Petch關系的適用范圍擴展至小尺寸樣品,最終建立了描述宏-微觀尺度晶體金屬樣品屈服強度隨尺寸變化的統一模型。該模型闡釋了晶體金屬材料屈服行為的微觀物理機制,成功解釋了多種單晶和多晶金屬材料的屈服強度隨樣品尺寸變化的實驗結果,如單晶鎳、輻照單晶銅、單晶和多晶鎢(圖2)等。這一發現打破了學術界對微納尺度晶體金屬材料屈服行為由位錯運動決定的固有認知,建立了基于位錯源激活和位錯運動相互競爭的晶體金屬材料屈服強度理論。該研究成果于2020年6月9日以“主編推薦(Editors’ Suggestion),https://journals.aps.org/prl/highlights”的形式在線發表于《物理評論快報》 (Physical Review Letters)上,題為“Unified Model for Size-Dependent to Size-Independent Transition in Yield Strength of Crystalline Metallic Materials” [Phys. Rev. Lett. 124, 235501, (2020)](https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.235501)。論文第一作者是工學院2017級博士生劉文斌,段慧玲教授為通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金的支持。


圖1. Editors’ Suggestion (Published 9 June 2020)


圖2. (a) 晶體金屬材料屈服強度(sy)的示意圖;(b)單晶和多晶鎢尺寸相關屈服強度(sy)的理論與實驗結果對比

段慧玲教授課題組近年來一直致力于極端條件下(高溫、輻照、小尺寸等) 金屬材料的微觀結構對其宏觀力學行為的影響機制研究,發展了考慮晶界、相界等界面條件對金屬材料力學性能影響的細觀力學理論,取得了一系列成果 (J. Mech. Phys. Solids, 2020; 2019; 2015a; 2015b; Int. J. Plasticity, 2020; 2018; 2015; Int. J. Solids Struct., 2016; Phys. Rev. Mater., 2019; Proc. R. Soc. A, 2017)。

 

 
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