近日，来自湖南大学张辉教授团队的蒋福林助理教授通过与日本九州大学Toshihiro Tsuchiyama教授团队合作，首次结合实验及模型研究验证了传统冷加工立方金属材料中全新的强化机理，即发现冷加工钢铁及铝合金中的障碍物（晶粒、固溶原子及第二相粒子）引起的强化与位错缠结作用导致的强化是完全不能叠加的，颠覆了经典的叠加理论。相关论文以题为“Nonadditivestrengthening functions for cold-worked cubic metals: Experiments andconstitutive modeling”于2020年2月11日发表在InternationalJournal of Plasticity上（金属塑性领域国际顶级期刊）。感谢蒋福林助理教授为我们解读此文。

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

金属结构材料（如钢铁和铝合金）在人类社会发展过程中占据极其重要的地位，如何提高金属结构材料的强度一直是材料科学及工业领域的热点。金属材料常见的强化方式包括细晶强化、固溶强化、弥散（析出）强化及变形（位错）强化等，如晶界通过位错塞积（pile-up）模式阻碍位错滑移，合金中的固溶原子通过晶格内部尺寸及弹性失配来增强金属基体对位错运动的阻碍，第二相粒子通过位错绕过或切过机制使材料强度提高。此外，当塑性变形引入大量位错后，缠结位错自身的相互作用也会显著强化金属（泰勒强化理论）。在经典强化认知中，通常认为障碍物（晶粒、固溶原子及第二相粒子）引起的强化与位错缠结作用导致的强化可以线性或非线性叠加，即叠加理论。

图1经典叠加理论与新发现的非叠加理论对比图

作者基于统计学研究方法，通过设计一系列不同强度的钢铁及铝合金，随后采用不同程度的冷变形引入位错，并通过实验定量确定强度和位错密度，基于泰勒强化理论分析获得了有趣的单线性关系（见图2和3），即冷加工钢铁和铝合金中初始的晶粒、固溶原子及第二相粒子强化与位错自身强化是完全不能叠加的，进而发现了新的非强化叠加现象。实验结果与搜集的文献结果非常吻合。

图2钢铁中的非强化叠加现象

3铝合金中的非强化叠加现象

此外，作者通过改进的KM模型对实验结果进行了验证及理论解释。这种全新的强化机理颠覆了传统强化理论认知，对高强金属材料开发、模型模拟及理论研究具有重大意义。

来源：材料科学与工程公众号，作者：蒋福林。