工学院段慧玲课题组在金属材料强度尺寸效应方面取得重要进展

“越小越强(Smaller is Stronger)”是金属材料的一个常见特性。晶体金属材料的屈服强度与晶粒尺寸和样品外观尺寸相关。材料屈服强度随晶粒尺寸减小而增加的现象由著名的Hall-Petch关系描述,然而,材料的屈服强度随样品外观尺寸增加而减小直到变得与样品尺寸无关这一重要特性的内在物理机制及统一描述却是一个悬而未决的问题。

近日,北京大学工学院段慧玲教授课题组通过理论分析,研究了单晶体金属材料发生塑性变形时位错源激活与位错运动的相互竞争机制对屈服强度的影响,并通过分析多晶体中晶界密度随样品尺寸的演化将经典Hall-Petch关系的适用范围扩展至小尺寸样品,最终建立了描述宏-微观尺度晶体金属样品屈服强度随尺寸变化的统一模型。该模型阐释了晶体金属材料屈服行为的微观物理机制,解释了多种单晶和多晶金属材料的屈服强度随样品尺寸变化的实验结果,如单晶镍、辐照单晶铜、单晶和多晶钨(图2)等。这一发现打破了学术界对微纳尺度晶体金属材料屈服行为由位错运动决定的固有认知,建立了基于位错源激活和位错运动相互竞争的晶体金属材料屈服强度理论。这项研究成果于2020年6月9日以“主编推荐(Editors’ Suggestion)”的形式在线发表于Physical Review Letters (《物理评论快报》),题为“Unified Model for Size-Dependent to Size-Independent Transition in Yield Strength of Crystalline Metallic Materials” [Phys. Rev. Lett. 124, 235501, (2020)]。论文第一作者是工学院2017级博士生刘文斌,段慧玲为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金支持。

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

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图2. (a) 晶体金属材料屈服强度(sy)的示意图;(b)单晶和多晶钨尺寸相关屈服强度(sy)的理论与实验结果对比

段慧玲课题组近年来一直致力于极端条件下(高温、辐照、小尺寸等))金属材料的微观结构对其宏观力学行为的影响机制研究,发展了考虑晶界、相界等界面条件对金属材料力学性能影响的细观力学理论,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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