蓋世汽車訊 青銅和鐵器時代的最早期鐵匠發(fā)現，當通過彎曲或錘擊使金屬變形后，金屬會變得更堅固。這一過程名為加工硬化或應變硬化，現在仍在冶金制造領域得到廣泛應用，以提高汽車車架到架空電線等設施的強度。但目前為止，材料科學家還無法對這一重要過程實時進行展開式觀察。

（圖片來源：nature.com）

據外媒報道，哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員首次觀察到驅動加工硬化基本過程的具體機制。這項研究在哈佛大學材料研究科學與工程中心（MRSEC）進行，通過更深入地了解材料強度，有望對材料設計和制造產生廣泛的影響。相關論文發(fā)表在期刊《自然（Nature）》上。

研究人員Frans Spaepen表示：“很多工業(yè)變形過程中都用到加工硬化。目前，人們通過大型計算機程序來為加工硬化建模，但為了使這些模型更加有效，我們需要進一步了解控制這一過程的潛在機制。這項工作為我們提供了一個實時窗口，以了解加工硬化的普遍過程?！?/p>

人們無法實時觀察到金屬中的加工硬化，因為只有通過電子顯微鏡才能觀察到原子結構。研究人員可以比較變形前后的結構，但也僅能有限了解這一過程中發(fā)生的情況。先前的研究表明，結構中的缺陷（稱為錯位）形成了缺陷網絡，從而導致加工硬化。研究人員Ilya Svetlizky表示：“目前尚不清楚的是，這些原子晶體中導致硬化的缺陷之間相互作用的整體復雜性?！?/p>

為了解該過程中的關鍵部分，該團隊轉向膠態(tài)晶體，這些粒子大約比原子大1萬倍，可在高濃度下自發(fā)形成晶體結構。這些晶體可用于模擬原子系統(tǒng)，因為它們具有相同的結構，經歷相同的相變過程，并擁有同類缺陷。然而，膠態(tài)晶體非常柔軟，比美國的透明甜點吉露果子凍（Jell-O）還要軟10萬倍。

研究人員培育出由數百萬個粒子組成的膠態(tài)晶體，并利用共聚焦光學顯微鏡來觀察每一個粒子。當向這些晶體施加應變時，他們可以測量每個粒子的運動狀況。令人驚訝的是，這些膠態(tài)晶體經歷了明顯的加工硬化，甚至比其他任何材料都更加強勁。事實上，將粒子尺寸差異考慮在內，這些超柔軟材料變得比其他金屬更加堅固。研究人員Seongsoo Kim表示：“我們沒想到這些硬球狀膠態(tài)晶體會發(fā)生加工硬化。比起普通金屬，這些粒子之間的相互作用非常簡單。事實上，我們發(fā)現，這些軟材料表現出異常明顯的加工硬化，甚至超過大多數銅和鋁金屬?！?/p>

這是首次在膠態(tài)晶體中觀察到加工硬化。結果表明，該過程主要由粒子的幾何形狀和缺陷控制。由于錯位缺陷，以及它們相互作用和相互糾纏的方式，這些晶體變得更加堅固。這些觀察結果揭示了加工硬化的普通機制，而這也將更普遍地適用于所有材料，甚至是那些無法用光學顯微鏡研究的材料。這些軟膠態(tài)晶體表現出如此卓越的加工硬化，因為它們可以容納非常高密度的缺陷。

研究人員David A. Weitz表示：“這項研究表明一些導致材料變得更堅固的基本和普遍機制。這些材料富有吸引力，雖然非常柔軟，但加工硬化使它們成為已知最堅固的材料。”

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