固体的力学性质是许多工程结构设计与应用的基础，其中以材料的抗剪切性能尤为重要，它决定了材料或结构可控使用的范围极限。这一性质与材料所处的外部条件，如温度或压力，密切相关。一般而言，高温下材料会发生显著软化，使其抗剪切的强度降低；相反，压力可以增强其抵抗外部变形的能力。然而在实际的应用中，我们有时并不希望这种自然的“热致软化”或“压致硬化”现象发生。如果能控制甚或实现相反的效应，即获得温度越高强度越大，或者压力越高强度越小的材料，则将极大地拓宽我们结构设计、材料制造与工程应用的边界和自由度。例如，或许可利用此机制改进科幻影视作品中超级英雄们的武器装备极限力热冲击性能。

所有这些并非空谈或漫无边际的幻想，事实上最近的理论研究已经预测了这种“压制软化-热致硬化”双重力学性质反常现象存在的可能性。但这仍需要确切的实验证据来证实。由于理论预测这一效应在极端的高温（高达数千度）和高压（超百万个大气压）条件下才比较明显，通常的实验方法很难进入这一极端区域并进行精密测量，为此我们采用了先进且独特的冲击波动态测量实验方法，并选取金属钒作为研究对象。

我们首先通过详尽的计算分析，从理论上确认了金属钒在动态冲击的条件下仍能呈现可观的“压制软化-热致硬化”现象，并设计出了具体的实验方案。在此基础上，利用先进的冲击波加载装置和高时空分辨测量仪器，获得了两组相互独立的实验数据，这些实验数据相互间的一致性良好，并且与理论预测相自洽。实验结果清晰无疑地显示随着冲击压力的升高，钒的剪切声速（对应于剪切模量与强度）在一百万个大气压压力内发生了明显下降，证实了高压下钒抵抗剪切变形能力的降低。另一方面，实验还揭示在相同压力下随着冲击温度的升高，其剪切声速与模量发生反常的逐步变大，使得抵抗外部变形的能力增强。

有趣的是，我们的实验和理论分析同时还表明，这种“压致软化，热致硬化”的双重反常行为不仅仅发生在剪切变形中，它同时也发生在钒的单轴压缩变形过程（即所谓的“纵波”）。这进一步凸显了金属材料在极端高温高压条件下丰富多变的力学行为，为工程结构材料设计和应用拓宽了思路。同时，这一发现还可能启发相关理论和实验进一步的研究，例如去探索设计在不同温压范围实现任意强度可控理想材料的可能性。

图1.冲击波实验数据证实了理论预测的高温高压下金属钒剪切声速的反常变化：(a)压致软化效应，(b)热致硬化效应

延伸阅读：

[1] H. Wang, J. Li, X. M. Zhou, Y. Tan, L. Hao, Y. Y. Yu, C. D. Dai, K. Jin, Q. Wu, Q. M. Jing, X. R. Chen, X. Z. Yan, Y. X. Wang, Hua Y. Geng, Evidence for mechanical softening-hardening dual anomaly in transition metals from shock-compressed vanadium, Phys. Rev. B 104, 134102 (2021).

[2] Y. X. Wang, Hua Y. Geng, Q. Wu, X. R. Chen, Orbital localization error of density functional theory in shear properties of vanadium and niobium, J. Chem. Phys. 152, 024118 (2020).

[3] Y. X. Wang, Q. Wu, X. R. Chen, and Hua Y. Geng（耿华运）^*, Stability of rhombohedral phases in vanadium at high-pressure and high-temperature: first-principles investigations, Sci. Rep. 6, 32419 (2016).