北京大学：金属材料屈服强度新理论！扩展经典Hall-Petch公式范围

导读：细晶强化是金属材料的一个常见特性，可由著名的Hall-Petch关系描述，但是其有一定适用范围。本文将经典Hall-Petch关系的适用范围扩展至小尺寸样品，最终建立了描述宏-微观尺度晶体金属样品屈服强度随尺寸变化的统一模型。相关发现打破了学术界对微纳尺度晶体金属材料屈服行为由位错运动决定的固有认知，建立了基于位错源激活和位错运动相互竞争的晶体金属材料屈服强度理论。
了解小尺寸晶体金属材料的机械性能对于设计和制造纳米器件和纳米结构是很重要的。尺寸依赖性屈服现象在微柱单轴拉伸或压缩试验中被广泛观察到。与大体积试样相比，小尺寸试样在塑性变形过程中需要更高的应力。在过去的几十年里，大量的研究表明，屈服强度在微尺度下与试样尺寸具有幂律关系，可以从位错源限制机制来理解，即在较小的尺度范围内位错的产生变得更加困难，因此需要更高的应力来激活新的位错源。
在现有模型中，表征小尺寸材料屈服强度曲线的临界分切应力(CRSS)通常采用为简单的线性方式表达，而屈服强度还与试样直径变化有一定关联，所以现有模型是不准确的，需要一种新的模型准确的预测出晶体金属材料的屈服强度。
北京大学的一项最新研究提出了从纳米尺度到宏观尺度均可预测金属材料屈服强度的模型。针对单晶提出了一种新的屈服机制，即屈服强度取决于位错运动所需的应力和位错源激活所需的应力，最终提出了能够描述单晶和多晶材料的屈服强度的模型。相关论文以题为“Unified Model for Size-Dependent to Size-Independent Transition in Yield Strength of Crystalline Metallic Materials”发表在Physical Review Letters，并被选为主编推荐文章。
论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.235501