美国科学家推翻了一条沿用70年的物理定律，这条定律长期以来指导着工程师如何增强金属强度。他们发现，材料在超声速冲击下的行为截然不同。

纽约康奈尔大学的研究团队发现，减小金属晶粒尺寸（一种长期以来被视为增强强度的方法）反而会导致材料在极高变形速度下软化。

他们的发现与霍尔-佩奇定律相悖。霍尔-佩奇定律预测，金属的强度会随着内部晶粒尺寸的减小而增加。根据该模型，晶界可以阻挡位错（驱动变形的微观缺陷）。

康奈尔大学西布利机械与航空航天工程学院助理教授莫斯塔法·哈萨尼说道：“我们想检验这条定律的极限，看看当金属承受极高的变形速率时，晶界强化是否仍然有效。”

突破物理定律

哈萨尼助理教授和康奈尔大学材料科学与工程系的博士生劳拉·吴（两人均为该研究的共同作者）着手研究金属在极端超快变形下的行为。

为此，他们采用了激光诱导微弹冲击试验技术。该技术以超过声速（约1224千米/时）的速度将微小粒子射向金属靶。“在近期技术发展使我们能够开展这些实验之前，研究如此高的应变速率一直非常困难，这些测试正在揭示材料究竟如何运作的全新概念。”劳拉·吴表示。

研究人员原本以为这只是一个简单的验证实验，结果却完全出乎意料。吴补充道：“我们仔细检查了所有数据采集，添加了新的数据点并重复了实验，但结果始终如一。”在这项研究中，他们制备了晶粒尺寸从1微米到100微米不等的铜样品，霍尔—佩奇效应通常在这个范围内成立。

在冲击试验中，晶粒较大的样品始终表现出更浅的压痕。这表明铜的硬度更高，能量耗散也更大。这一结果颠覆了数十年来科学界的认知。

强度理论受到挑战

研究人员指出，霍尔—佩奇效应在材料科学领域占据主导地位已有70余年。该理论认为，较小的晶粒，或者说金属内部的微观晶体区域，会阻碍被称为位错的缺陷的运动。

这使得材料更坚硬，更耐变形。这一原理贯穿从飞机设计到防护装甲等各个领域。研究团队将他们的研究成果归因于金属变形时微小缺陷（称为位错）的运动方式。

据该团队称，在普通应变速率下，晶界和其他晶体缺陷通过阻碍位错的运动来强化金属。但在超高应变速率下，位错加速到足以与材料中振动的原子发生相互作用。

这种被称为位错—声子拖曳的相互作用可以显著增强金属的强度。虽然实验主要集中在铜上，但研究团队认为这种效应具有普遍性。早期对其他金属和合金的测试也发现，当变形速率达到极高水平时，强度行为也会出现类似的逆转。

吴在新闻稿中表示：“最令人兴奋的是这项基础性发现及其潜在应用。既然我们知道晶粒尺寸趋势会在高应变速率下发生逆转，我们就可以利用这一点来制造和改进能够承受高冲击力的部件。”

研究人员表示，这些新发现可能会影响轻型装甲、金属部件增材制造以及能够抵御太空碎片碰撞的航天器等应用材料的开发。该研究已发表在《物理评论快报》上。（航柯）