张辉教授团队发现了传统冷加工立方金属中强化不能叠加的新机理

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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。

        近日，我院蒋福林助理教授（张辉教授团队）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。相关论文以题为“Nonadditive strengthening functions for cold-worked cubic metals: Experiments and constitutive modeling”发表在International Journal of Plasticity（IF=5.8，金属塑性领域国际顶级期刊）上，蒋福林助理教授为论文第一作者及第一通讯作者，湖南大学材料科学与工程学院为论文第一单位，论文连接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2020.102700.
       论文研究团队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，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。
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。这种强化机理不同于传统的强化理论，对高强金属材料开发、模型模拟及理论研究具有重大意义。
       文章来源：湖南大学
       张辉：男，1963年6月生，湖南省望城县人，中共党员，湖南大学材料科学与工程教授、博士后、博士生导师，先后任中国有色金属学会合金加工分会理事，国家自然科学基金和国家中小型企业创新基金以及高新技术企业评审专家，教育部铝合金强流变成形技术与装备工程研究中心副主任，湖南省博士后联合会理事。
        蒋福林，男，1988年3月出生，江西吉安人，中共党员，湖南大学和McMaster University联合培养博士（工学），Kyushu University博士后研究员及助理教授，现担任湖南大学材料科学与工程学院金属材料与控制工程系助理教授、硕士生指导教师（张辉 教授团队），以及Journal of Materials Science & Technology、Materials & Design、Metallurgical and Materials Transactions A、Journal of Alloys and Compounds、Journal of Materials Research和Transactions of Nonferrous Metals Society of China等国内和国际知名期刊通信评审专家。目前主要研究方向包括金属材料强韧化机理、力学与组织定量物理模型、塑性变形基础理论、加工工艺及高性能轻量化合金设计等，正主持国家自然科学基金青年科学基金项目、湖南大学科研启动经费及人才项目等，曾经主持湖南省研究生科研创新项目，作为主要参与人完成了“973”项目子课题、科技部国际合作计划项目、国家自然科学基金和教育部博士点基金等国家级、省部级重要科研课题，同时主要负责完成了日本学术振兴会（JSPS）重点基础研究项目，取得了一系列研究成果。相关研究成果已在国内和国际相关领域知名学术期刊上发表，共40余篇，包括International Journal of Plasticity，Journal of Materials Science & Technology，Metallurgical and Materials Transactions A，Materials & Design，Journal of Alloys and Compounds， Materials Characterization，Materials Science and Engineering: A, Transactions of Nonferrous Metals Society of China，ISIJ International和Journal of Materials Science等学术期刊。