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金屬疲勞領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展!

疲勞通常指反復(fù)施加循環(huán)載荷(遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力極限)而引起的一種材料弱化過程。實(shí)際服役過程中約90%金屬構(gòu)件的失效均由疲勞斷裂引起,其原因是材料在循環(huán)加載過程中微觀結(jié)構(gòu)不斷變化、遭受嚴(yán)重且不可逆轉(zhuǎn)的累積損傷,從而導(dǎo)致材料循環(huán)硬化或軟化直至最終失效。金屬材料的非穩(wěn)定循環(huán)響應(yīng)及疲勞壽命強(qiáng)烈依賴于其疲勞歷史,實(shí)際復(fù)雜循環(huán)載荷服役條件下金屬構(gòu)件的疲勞失效和壽命預(yù)測更加困難。因此,抗疲勞損傷材料發(fā)展的重大瓶頸問題就是如何減小或抑制循環(huán)變形過程中微觀結(jié)構(gòu)局域化和不可逆損傷。

  

最近,中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室盧磊研究員研究組和美國布朗大學(xué)高華健教授研究組合作在這一領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)具有晶體學(xué)對稱結(jié)構(gòu)的納米孿晶金屬不但具有循環(huán)穩(wěn)定響應(yīng)而且疲勞累計(jì)損傷非常有限。這種具有獨(dú)特的穩(wěn)定循環(huán)響應(yīng)特征和有限累計(jì)損傷的納米結(jié)構(gòu)為發(fā)展抗疲勞損傷的高性能工程金屬材料提供了新思路。該成果發(fā)表在《Nature》(2023年10月30日在線)。


論文鏈接:

https://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/pdf/nature24266.pdf


研究人員利用直流電解沉積技術(shù)成功制備了塊體擇優(yōu)取向納米孿晶純銅樣品。通過傳統(tǒng)拉-壓變幅應(yīng)變控制疲勞實(shí)驗(yàn)研究了該樣品的相關(guān)循環(huán)應(yīng)力響應(yīng), 發(fā)現(xiàn)在恒定應(yīng)變幅下,其應(yīng)力響應(yīng)迅速穩(wěn)定(既不硬化也不軟化);尤為重要的是,當(dāng)應(yīng)變幅階梯式遞進(jìn)增加以及隨后階梯式遞進(jìn)減小時(shí),該樣品的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)完全可逆,即當(dāng)應(yīng)變幅恒定時(shí),應(yīng)力和應(yīng)變具有一一對應(yīng)關(guān)系,且循環(huán)滯后環(huán)完全重合(圖1)。


圖1. 納米孿晶Cu與歷史無關(guān)的穩(wěn)定循環(huán)響應(yīng)行為。在變幅疲勞實(shí)驗(yàn)中, 具有不同孿晶片層和晶粒尺寸的兩類納米孿晶樣品隨塑性應(yīng)變幅階梯式遞進(jìn)增加時(shí)的循環(huán)響應(yīng)曲線(圖a和d)和隨塑性應(yīng)變幅階梯式遞進(jìn)減小時(shí)的循環(huán)響應(yīng)曲線(圖b和e);圖c和f分別為兩類樣品在不同應(yīng)變幅時(shí)的滯后環(huán)。應(yīng)變幅恒定時(shí),應(yīng)力和應(yīng)變具有一一對應(yīng)關(guān)系,循環(huán)滯后環(huán)完全重合。


該結(jié)果表明經(jīng)過上萬次循環(huán)加載變形之后,納米孿晶金屬的塑性變形是可逆的且沒有累積損傷,表現(xiàn)出一種獨(dú)特的與歷史無關(guān)的穩(wěn)定循環(huán)響應(yīng)特征。微觀結(jié)構(gòu)分析與大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)循環(huán)載荷作用下,納米孿晶結(jié)構(gòu)中僅有單滑移位錯(cuò)啟動(dòng),并在納米尺度孿晶間形成大量超級穩(wěn)定、相互平行的高度關(guān)聯(lián)項(xiàng)鏈狀位錯(cuò)(圖2)。


圖2.分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬疲勞試驗(yàn)過程中納米孿晶片層內(nèi)形成的高度關(guān)聯(lián)項(xiàng)鏈狀位錯(cuò)及穩(wěn)定孿晶界面。


這種關(guān)聯(lián)項(xiàng)鏈狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)往復(fù)可逆運(yùn)動(dòng)承擔(dān)塑性變形,但相互之間并無交互作用,既不破壞納米孿晶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也不造成累積損傷。納米孿晶金屬與歷史無關(guān)的穩(wěn)定循環(huán)響應(yīng)特征與傳統(tǒng)單晶、粗晶和納米晶體金屬具有的結(jié)構(gòu)非穩(wěn)定化和嚴(yán)重?fù)p傷累積的循環(huán)變形行為截然不同。

  

該研究獲得科技部國家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究等項(xiàng)目資助。


來源:材料科學(xué)與工程

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