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，但学界对微观尺度位错与宏观尺度力学性能之间的物理联系尚缺乏系统研究。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9.5GPa，长期以来，理论与实验之间的巨大差异未能得到妥善解答。

近日，四川大学建筑与环境学院范海冬教授，联合王清远教授、霍普金斯大学El-Awady教授、马普学会钢铁所Raabe教授、埃尔朗根大学Zaiser教授，共同在《Nature Communications》杂志上发表了最新研究成果“Strain rate dependency of dislocation plasticity”。四川大学为成果的第一完成单位和第一通讯单位，范海冬教授为成果的第一作者，王清远教授、范海冬教授为成果的共同通讯作者。该研究工作受到国家自然科学基金、四川省科技计划项目、德国洪堡基金会、教育部海外名师项目、美国自然科学基金资助。

研究团队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。

范海冬教授为国家级人才计划入选者、德国“洪堡学者”、四川大学“双百人才工程”A计划入选者，主要研究方向为金属材料塑性机理和辐照效应。近年来主持国家自然科学基金4项，在JMPS、IJP、Acta Materialia等杂志发表论文60余篇，成果被国内外同行称赞为开端性的、开拓性的、至今最为重要的、仅有的、攻克了挑战、具有独特优势、解决了难题。在ICPDF、洪堡学者会议、东京大学等做邀请报告15次。担任《固体力学学报》特邀青年编委/客座编辑、中国力学学会青工委委员、四川省力学学会理事、四川省学术和技术带头人后备人选。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21939-1