麻省理工学院的研究人员发现，被物体以超高速撞击的金属会随着温度的升高而强度增加，这与正常情况下通常出现的软化效果相反。这种新的认识是基于将微小的蓝宝石颗粒射向金属的实验，它可能会彻底改变极端环境下的材料设计，比如航天器的防护罩或高速制造过程。
麻省理工学院的科学家发现我像铜这样的金属可以变硬当加热和高速撞击时，挑战传统极端环境的Nal视图和潜在增强材料政府喜欢太空和高速制造业。
金属被加热后会变得更软，这就是铁匠如何将铁加热到红色的温度，使其形成复杂形状的原因。任何将铜线与钢制衣架进行比较的人都会很快发现，铜比钢柔韧得多。
但麻省理工学院的科学家们发现，当金属被一个以超高速运动的物体撞击时，相反的情况发生了:金属越热，它就越强。在这些条件下，金属承受着极大的压力，铜实际上可以和钢一样坚固。这项新发现可能会为极端环境设计材料带来新的方法，比如保护航天器或高超音速飞机的盾牌，或者用于高速制造过程的设备。
麻省理工学院研究生伊恩·道丁(Ian Dowding)和麻省理工学院材料科学与工程系前主任、现任西北大学工程系院长、麻省理工学院客座教授克里斯托弗·舒赫(Christopher Schuh)最近在《自然》杂志上发表了一篇论文，描述了这些发现。
反直觉的结果和潜在的应用
作者写道，这项新发现“违反直觉，与几十年来在不那么极端的条件下进行的研究不一致。”这些意想不到的结果可能会影响到各种应用，因为这些撞击所涉及的极端速度经常发生在轨道上的陨石撞击航天器以及制造、喷砂和一些增材制造(3D打印)工艺中使用的高速加工操作中。
研究人员用来发现这种效应的实验包括将直径只有百万分之一米的蓝宝石微粒射向平坦的金属薄片。在激光束的推动下，粒子达到了很高的速度，大约是每秒几百米。虽然其他研究人员偶尔也做过类似的高速实验，但他们倾向于使用更大的撞击器，在厘米或更大的尺度上。因为这些较大的撞击主要是由撞击的冲击作用所主导的，所以没有办法将机械和热效应分开。
描述:麻省理工学院的科学家们发现，当金属被高速运动的物体以极快的速度变形时，更热的温度会使金属变得更强，而不是更弱。这里，3个粒子以相同的速度撞击金属表面。随着金属初始温度的升高，反弹的速度加快，颗粒反弹的速度也更高，因为金属也变得更硬，而不是更软。图片来源:研究人员提供
该团队使用极高速摄像机来追踪粒子。这个序列来自研究数据，显示了一个粒子飞进表面并从表面反弹。来源:麻省理工学院
新研究中的微小颗粒在击中目标时不会产生明显的压力波。但麻省理工学院花了十年的时间研究，才开发出以如此高的速度推动这种微观粒子的方法。“我们已经利用了这一点，”Schuh说，以及其他观察高速撞击本身的新技术。
观察和发现
他说，研究小组使用了极高的高速摄像机“来观察粒子进入和离开的过程”。当粒子从表面反弹时，入射和射出速度之间的差异告诉你有多少能量沉积在目标上，这是表面强度的一个指标。
他们使用的微小颗粒是由氧化铝或蓝宝石制成的，并且“非常坚硬”，Dowding说。直径在10到20微米(百万分之一米)之间，是人类头发厚度的十分之一到五分之一。当这些粒子后面的发射台被激光束击中时，部分材料蒸发，产生一股蒸汽射流，将粒子推向相反的方向。
该团队使用极高速摄像机来追踪粒子。这个序列来自研究数据，显示了一个粒子飞进表面并从表面反弹。来源:麻省理工学院
研究人员将这些粒子射向铜、钛和金的样品，他们希望他们的结果也适用于其他金属。他们说，他们的数据首次提供了直接的实验证据，证明了这种异常的热效应，即随着热量的增加，强度也会增加，尽管之前已经有过关于这种效应的报道。
根据研究人员的分析，这种令人惊讶的效果似乎是由组成金属晶体结构的有序原子阵列在不同条件下移动的方式产生的。他们表明，有三种不同的影响控制着金属在压力下的变形，其中两种影响遵循在高温下增加变形的预测轨迹，而第三种影响，称为阻力强化，在变形率超过一定阈值时逆转其影响。
阻力强化效果
在这个交叉点之外，更高的温度会增加材料内部声子(声波或热波)的活动，这些声子与晶格中的错位相互作用，从而限制了它们滑动和变形的能力。Dowding说，这种效应随着撞击速度和温度的增加而增加，所以“你撞击得越快，位错的反应就越小。”
当然，在某一点上，升高的温度会开始熔化金属，在那一点上，效果会再次逆转，导致软化。这种强化效应“会有一个限度”，Dowding说，“但我们不知道它是什么。”
舒赫说，这些发现可能会导致在设计可能遇到这种极端压力的设备时选择不同的材料。例如，通常较弱但较便宜或较容易加工的金属，可能在以前没有人想到使用它们的情况下很有用。
研究人员研究的极端条件并不局限于航天器或极端的制造方法。“如果你在沙尘暴中驾驶直升机，很多沙粒在撞击叶片时会达到很高的速度，”Dowding说，在沙漠条件下，它们可能会达到高温，在那里这些硬化效应开始发挥作用。
研究人员用来揭示这种现象的技术可以应用于各种其他材料和情况，包括其他金属和合金。他们说，通过简单地从不太极端的条件下的已知特性推断来设计用于极端条件下的材料，可能会导致对材料在极端应力下的表现的严重错误的预期。
参考文献:“金属在极端应变速率下随温度升高而增强”，作者:Ian Dowding和Christopher A. Schuh, 2024年5月22日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07420 - 1
这项研究得到了美国能源部的支持。
