晶体金属可能具有较大的理论弹性应变极限。然而，传统晶体金属实际上承受着非常有限的弹性变形，其弹性变形<0.5%，线性应力-应变关系符合胡克定律。
日前，来自日本东北大学的研究人员报道了室温下铜基单晶合金在体积尺度下的大拉伸弹性变形的实验观察结果，其弹性应变大于4.3%！原位微观结构和中子衍射观测表明，单相可逆晶格应变引起了宏观大弹性应变。此外，这种非滞回、准线性的弹性可逆变形与明显的弹性软化现象有关。与传统的胡克定律不同，应力的增加导致杨氏模量减小。非胡克定律大弹性变形的实验发现为开发大块晶体金属作为高性能机械弹簧或“弹性应变工程”应用提供了潜力。相关论文以题为Non-Hookean large elastic deformation in bulk crystalline metals发表在Nature Communications。
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我们日常生活中常见的金属和合金大多是晶体材料，由于原子间键的临时拉伸或收缩，它们会发生弹性变形。晶体金属的理想弹性应变是晶格本身分解的应变，因此会设定材料弹性应变的一个牢固上限。理论上，对于绝大多数没有缺陷的晶体金属来说，该应变值大约为10%。然而，大块晶体金属（主要用于实际工程应用），由于离散位错、变形孪晶，以及应力诱导相变，在非常小的弹性范围内的应力-应变关系通常是线性的，因此符合众所周知的胡克定律。
具有较大弹性变形的金属可以用作机械振动系统、体育用品和医疗器械的组件，因为它们具有较大的可逆应变和机械能量存储。实现晶体金属巨大弹性变形的一种方法是缩小尺度方法。当将样品尺寸减小到微米或纳米尺寸时，例如独立晶须和纳米线的尺寸，某些金属可以表现出超高屈服强度和4%–7%的弹性应变，接近其理论值。然而，当结晶金属被放大到体积尺寸时，实现大弹性变形已被证实具有挑战性。另一方面，某些形状记忆合金可能会表现出>2%的弹性应变，具有较小的应力滞后以及降低的表观杨氏模量，但这与连续或局部马氏体相变有关；因此，这种变形是伪弹性的，而不是真正的弹性。
从胡克定律可以看出，要在大块金属中实现大而真实的弹性应变，需要低杨氏模量和高强度。然而，传统金属材料的这些性能之间通常存在矛盾。我们注意到，在一系列Cu–Al基合金中，可以识别出沿立方结构晶体<100>方向的低杨氏模量。典型的例子是Cu–AI–Ni合金，其杨氏模量很低，约为25 GPa沿<100>晶体取向，尽管在相对较低的弹性应变下出现应力诱发马氏体相变。Cu–Al基合金在母相中也具有有序的原子结构；因此，由于有序强化效应，可以预期高屈服强度。因此，推测如果能够适当抑制应力诱导的相变，这些合金中可以获得较大的弹性应变。
为此，在这项工作中报告了一个大于4.3%的大真实弹性应变，这是由室温下的对块状和结晶性Cu–Al–Mn合金拉伸试验（~298K）实验确定的。迄今为止，大于4.3%的真实拉伸弹性应变代表了室温下大块晶体金属的最高实验值。这种大块合金在应力-应变关系中也表现出非线性弹性响应，这不符合传统的胡克定律。最近，人们对“弹性应变工程”越来越感兴趣，在这种工程中，晶格应变被设计成一个动态连续变量，用于操纵材料的多种物理或化学性质。然而，目前，弹性应变工程在纳米结构中的应用受到了限制，因为块状晶体金属很少能承受足够大的弹性变形。块状金属（例如当前的Cu–Al–Mn合金）中实现的大弹性应变，有潜力将弹性应变工程用于纳米级以外的新兴技术，例如大体积应变介导传感器等。
图1：大块<100>Cu–Al–Mn单晶的弹性响应。
图2：拉伸加载-卸载试验期间的原位微观结构观察。
图3：原位中子衍射显示的微观响应。
图4：各种金属和人体骨骼的弹性应变极限和杨氏模量比较。
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