为什么材料变形后会变得更坚固？哈佛研究团队揭示加工硬化普遍机制

盖世汽车讯 青铜和铁器时代的最早期铁匠发现，当通过弯曲或锤击使金属变形后，金属会变得更坚固。这一过程名为加工硬化或应变硬化，现在仍在冶金制造领域得到广泛应用，以提高汽车车架到架空电线等设施的强度。但目前为止，材料科学家还无法对这一重要过程实时进行展开式观察。

据外媒报道，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的研究人员首次观察到驱动加工硬化基本过程的具体机制。这项研究在哈佛大学材料研究科学与工程中心(MRSEC)进行，通过更深入地了解材料强度，有望对材料设计和制造产生广泛的影响。相关论文发表在期刊《自然(Nature)》上。

研究人员Frans Spaepen表示:“很多工业变形过程中都用到加工硬化。目前，人们通过大型计算机程序来为加工硬化建模，但为了使这些模型更加有效，我们需要进一步了解控制这一过程的潜在机制。这项工作为我们提供了一个实时窗口，以了解加工硬化的普遍过程。”

人们无法实时观察到金属中的加工硬化，因为只有通过电子显微镜才能观察到原子结构。研究人员可以比较变形前后的结构，但也仅能有限了解这一过程中发生的情况。先前的研究表明，结构中的缺陷形成了缺陷网络，从而导致加工硬化。研究人员Ilya Svetlizky表示:“目前尚不清楚的是，这些原子晶体中导致硬化的缺陷之间相互作用的整体复杂性。”

为了解该过程中的关键部分，该团队转向胶态晶体，这些粒子大约比原子大1万倍，可在高浓度下自发形成晶体结构。这些晶体可用于模拟原子系统，因为它们具有相同的结构，经历相同的相变过程，并拥有同类缺陷。然而，胶态晶体非常柔软，比美国的透明甜点吉露果子冻还要软10万倍。

研究人员培育出由数百万个粒子组成的胶态晶体，并利用共聚焦光学显微镜来观察每一个粒子。当向这些晶体施加应变时，他们可以测量每个粒子的运动状况。令人惊讶的是，这些胶态晶体经历了明显的加工硬化，甚至比其他任何材料都更加强劲。事实上，将粒子尺寸差异考虑在内，这些超柔软材料变得比其他金属更加坚固。研究人员Seongsoo Kim表示:“我们没想到这些硬球状胶态晶体会发生加工硬化。比起普通金属，这些粒子之间的相互作用非常简单。事实上，我们发现，这些软材料表现出异常明显的加工硬化，甚至超过大多数铜和铝金属。”

这是首次在胶态晶体中观察到加工硬化。结果表明，该过程主要由粒子的几何形状和缺陷控制。由于错位缺陷，以及它们相互作用和相互纠缠的方式，这些晶体变得更加坚固。这些观察结果揭示了加工硬化的普通机制，而这也将更普遍地适用于所有材料，甚至是那些无法用光学显微镜研究的材料。这些软胶态晶体表现出如此卓越的加工硬化，因为它们可以容纳非常高密度的缺陷。

研究人员David A. Weitz表示:“这项研究表明一些导致材料变得更坚固的基本和普遍机制。这些材料富有吸引力，虽然非常柔软，但加工硬化使它们成为已知最坚固的材料。”