近日，來自湖南大學張輝教授團隊的蔣福林助理教授通過與日本九州大學Toshihiro Tsuchiyama教授團隊合作，首次結合實驗及模型研究驗證了傳統冷加工立方金屬材料中全新的強化機理，即發現冷加工鋼鐵及鋁合金中的障礙物（晶粒、固溶原子及第二相粒子）引起的強化與位錯纏結作用導致的強化是完全不能疊加的，顛覆了經典的疊加理論。相關論文以題為“Nonadditivestrengthening functions for cold-worked cubic metals: Experiments andconstitutive modeling”于2020年2月11日發表在InternationalJournal of Plasticity上（金屬塑性領域國際頂級期刊）。感謝蔣福林助理教授為我們解讀此文。

論文連接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2020.102700

金屬結構材料（如鋼鐵和鋁合金）在人類社會發展過程中占據極其重要的地位，如何提高金屬結構材料的強度一直是材料科學及工業領域的熱點。金屬材料常見的強化方式包括細晶強化、固溶強化、彌散（析出）強化及變形（位錯）強化等，如晶界通過位錯塞積（pile-up）模式阻礙位錯滑移，合金中的固溶原子通過晶格內部尺寸及彈性失配來增強金屬基體對位錯運動的阻礙，第二相粒子通過位錯繞過或切過機制使材料強度提高。此外，當塑性變形引入大量位錯后，纏結位錯自身的相互作用也會顯著強化金屬（泰勒強化理論）。在經典強化認知中，通常認為障礙物（晶粒、固溶原子及第二相粒子）引起的強化與位錯纏結作用導致的強化可以線性或非線性疊加，即疊加理論。

圖1經典疊加理論與新發現的非疊加理論對比圖

作者基于統計學研究方法，通過設計一系列不同強度的鋼鐵及鋁合金，隨后采用不同程度的冷變形引入位錯，并通過實驗定量確定強度和位錯密度，基于泰勒強化理論分析獲得了有趣的單線性關系（見圖2和3），即冷加工鋼鐵和鋁合金中初始的晶粒、固溶原子及第二相粒子強化與位錯自身強化是完全不能疊加的，進而發現了新的非強化疊加現象。實驗結果與搜集的文獻結果非常吻合。

圖2鋼鐵中的非強化疊加現象

3鋁合金中的非強化疊加現象

此外，作者通過改進的KM模型對實驗結果進行了驗證及理論解釋。這種全新的強化機理顛覆了傳統強化理論認知，對高強金屬材料開發、模型模擬及理論研究具有重大意義。