這篇Nature顛覆傳統理論！科學家首次發現自修復金屬！
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編輯 : 竅門大全
發布 : 07-22
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疲勞損壞是機器故障的常見原因。這種損壞表現為由于反復應力或運動而形成的微觀裂紋。隨著時間的推移，這些裂縫會不斷擴大和傳播，直到最終設備破裂，或者用科學術語來說，它失效了。在結構應用中，疲勞占使用故障的90%。雖然科學家已經開發了一些自愈材料，但這主要是高分子材料。自愈金屬的概念在很大程度上仍屬于科幻小說的領域。預防疲勞依賴于實施大型安全系數和低效的過度設計。在傳統的抗疲勞冶金設計中，開發微觀結構只能阻止或減緩裂紋的進展，因為裂紋生長被認為是不可逆的。納米級金屬自修復渲染圖,綠色標記了裂縫形成的地方，紅色箭頭表示意外觸發現象的拉力的方向在這里，美國桑迪亞國家實驗室的Brad L. Boyce教授聯合德克薩斯農工大學的Michael J. Demkowicz教授共同報告了純金屬中的疲勞裂紋可以進行內在自愈合。作者直接觀察了納米級疲勞裂紋的早期發展過程，不出所料，裂紋會在局部微結構障礙處前進、偏轉和停止。然而，出乎意料的是，作者還觀察到裂紋的愈合過程，這一過程可被描述為由局部應力狀態和晶界遷移共同誘發的裂紋側面冷焊。疲勞裂紋可以通過與微結構特征的局部相互作用在金屬中自主愈合，這一前提對工程師如何設計和評估結構材料疲勞壽命的最基本理論提出了挑戰。相關成果以“Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding”為題發表在《Nature》上。作者在40納米厚的納米晶鉑箔中觀察到了高循環疲勞裂紋的產生和擴展。在圖1和圖2所示的情況中，在 TJ234停止后，觀察到疲勞裂紋在644,000至684,000周期之間自主愈合。在這一循環加載階段，裂紋部分愈合，導致裂紋長度縮短了18 nm（圖2k）。裂紋愈合發生在大約664,000次循環時（圖2f）。這一愈合過程似乎發生在具有正遠場拉伸應力的疲勞加載段，而不是在周期性靜態卸載期間。這種自主裂紋愈合不同于成熟的裂紋閉合，因為沒有證據表明裂紋在繼續加載時會重新打開（圖2g-i）。圖1：記錄裂紋擴展、愈合和再生關鍵階段的靜態圖像圖2：從動態視頻中獲取的愈合過程的詳細觀察為了探索這種裂紋愈合的潛在機制，作者在原子模型中復制了實驗觀察到的裂紋尖端附近的晶粒結構。在晶粒2（G2）的{111}平面上插入了一條裂紋，裂紋終止于晶粒邊界1 nm 處（圖3），與實驗觀察到的表面痕跡一致。GB34的邊界平面垂直于自由表面，與完美的{111}排列偏差6.2°。多晶金屬中的相干孿晶邊界平面通常與完美的相干性有幾度偏差25,26。由于這種偏差，GB34包含一系列相干梯田，這些梯田被肖克利部分孿生位錯隔開，間距約為4.5納米。圖3c-f 說明了在300?K 下保持0.2% 拉伸應變時模型的行為。到30 ps 時，裂紋側面開始接觸。隨著裂紋的閉合，其表面焊接在一起。如圖3e 所示，裂紋愈合前沿隨后以半圓弧形從初始接觸點向外擴展。該前沿以大約885米/秒的速度移動，直到整個裂紋完全愈合（圖3f），這表明愈合過程是機械的而不是擴散的。為了研究 TJ 對愈合的影響，作者還構建了一個模型，其中三個晶粒被取向為 G2的單晶體所取代（圖3b）。在這種情況下，在0.2% 的拉伸應變下，裂紋沒有愈合；裂紋面保持開放，其結構保持不變。因此作者得出結論，圖3c-f 所示的裂紋愈合需要裂紋與外加載荷和 TJ 的相互作用。圖3：原子模型確認了邊界遷移、裂紋側面接觸和愈合小結與討論本研究報告的裂紋擴展速率遠低于每周期10-12米，慢于通常報告的傳統疲勞裂紋閾值增長率。這種每周期低于一個晶格參數的增長率通常是由局部休眠若干周期的裂紋造成的。然而，目前的觀察結果增加了一種可能性，即裂紋也可能愈合，從而減緩其平均增長率。這種愈合發生在幾十納米的范圍內，在納米尺度上可以觀察到，但在中尺度和宏觀尺度的疲勞實驗中卻無法解決。在更快的增長速度下，金屬斷裂表面的疲勞條紋證明裂紋在每個周期都在增長，但沒有愈合的跡象。本文結果對疲勞裂紋會擴展但永遠不會愈合的普遍觀點提出了質疑——這一假設在疲勞教科書和文獻中根深蒂固。例如，廣泛使用的裂紋增長率對數圖（da/dN）只能接受正的裂紋增長率。雖然目前的觀察結果僅針對納米晶金屬的原位 TEM 研究，但報告的機制可能對材料對循環加載的響應具有更廣泛的宏觀影響，尤其是在裂紋擴展的閾值應力強度 ΔKth 附近。從機理的角度來看，人們對這一閾值的理解還很模糊，而且之前試圖建立理論基礎的嘗試也沒有得到廣泛采用。為了闡明愈合對疲勞閾值可能起到的作用，作者建立了愈合對裂紋擴展影響的分析模型。雖然還有其他幾種機制也會導致應力強度閾值（例如，氧化物、粗糙度或塑性導致的裂紋閉合），但裂紋愈合在兩個方面是獨一無二的：（1）它預測了在沒有氧化的情況下ΔKth 的增加；（2）它預測了在ΔKth 以下出現負裂紋增長率的可能性。來源：高分子科學前沿聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！
