2024年中国机械工程学会发布前沿科学问题：极端应变率下材料塑性机理研究
2024年中国机械工程学会发布前沿科学问题：极端应变率下材料塑性机理研究
2024年10月25-27日，中国机械工程学年会在西安召开。大会发布了一年一度的“2024年机械工程领域前沿科学问题和工程技术难题”。其中，“极端应变率下，材料的高塑性、低应力的物理机制是什么？”被列为2024年机械工程领域前沿科学问题之一。
金属材料的塑性加工通常在0.1~100/s的应变率范围内进行，包括常见的锻造、冲压、轧制和挤压、拉拔等工艺。在这一应变率范围内，随着应变率的升高，金属材料的塑性往往明显下降，脆性增加，变形抗力（流动应力）明显增大。例如，常见的不锈钢304在低速拉伸（0.1/s）时延伸率可以达到50%以上，而在高速冷锻（100/s）时，延伸率甚至不足10%。
科学家很早发现了低应变率下金属材料塑性可以显著提高的现象。在0.0001~0.01/s的低应变率范围内，很多金属材料展现出超塑性，延伸率甚至可以达到300%以上，变形抗力很低。这种超塑性在航空航天等领域获得了较多应用。如果应变率进一步降低，金属材料还可以更大地提高塑性、更显著降低变形抗力，这就是高温蠕变成形技术。
近年来，研究者们发现，在超高应变率（超过1000/s）条件下，很多铝合金、铝锂合金、钛合金的塑性不再降低，反而显著提高，同时弹复显著减小。这一发现对于解决常温下低塑性难成形金属零件的加工问题具有重要实用价值。例如，对于钛合金板件，高应变率下延伸率可以提高20%左右，而弹复可以降低90%以上，这为实现钛合金板件的室温精确成形提供了可能。
金属塑性变形的主要机制包括位错滑移、孪生、晶界滑移、晶粒旋转等多种形式，其发生条件受到温度和应变率的显著影响。目前，对于极端应变率（极高或极低）下的金属塑性变形物理机制仍缺乏深入理解，这为未来的研究提供了重要方向。通过揭示极端应变率下的材料行为，可以为开发新型材料加工工艺、设计专用设备和工装模具提供科学依据。
2024年10月26日，中国机械工程学会发布“2024年机械工程领域前沿科学问题和工程技术难题”：“极端应变率下，材料的高塑性、低应力的物理机制是什么？”