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位错塑性的应变率效应

位错,塑性,应变率

金属材料由于其卓越的力学性能和损伤容限，广泛用于国家重大工程领域，其全球市场每年可达三万亿美元。位错是金属材料塑性变形的基本方式，支配着金属材料强度、屈服、强化、损伤等重要性能。上世纪30年代Taylor经典理论显示位错密度越高，材料越强，成为当今晶体塑性理论和材料强化理论的基石。然而，该经典理论在低位错密度时违背常识，因为低位错密度材料强度可达GPa，长期以来，理论与实验之间的巨大差异未能得到妥善解答。本组运用大数据研究方法，开展了194个位错动力学模拟，位错密度跨9个量级，应变率跨10个量级。无论是运用模拟手段还是实验手段，如此大尺度的研究并不多见。大数据模拟成果有力地证明了材料强度相对位错密度并非单调变化，而是呈现出先降后增的两个阶段，其中第二阶段为传统的Taylor强化机制，而第一阶段为应变率强化机制，充分证实了低位错密度材料的超高强度。基于位错机制和基本理论分析，研究团队提出了巧妙的位错速度求解思想，首次建立了位错密度和速度之间的数学模型，实现了描述位错密度、应变率和材料强度之间物理关联的解析理论，并与194个模拟数据和136个实验数据吻合。该成果不仅探明了全新的位错强化机制，且增进了位错理论的基本内涵，也为晶体塑性理论开拓了新思路。