疲劳损坏是机器故障的常见原因。这种损坏表现为由于反复应力或运动而形成的微观裂纹。随着时间的推移，这些裂缝会不断扩大和传播，直到最终设备破裂，或者用科学术语来说，它失效了。在结构应用中，疲劳占使用故障的90%。虽然科学家已经开发了一些自愈材料，但这主要是高分子材料。自愈金属的概念在很大程度上仍属于科幻小说的领域。预防疲劳依赖于实施大型安全系数和低效的过度设计。在传统的抗疲劳冶金设计中，开发微观结构只能阻止或减缓裂纹的进展，因为裂纹生长被认为是不可逆的。


纳米级金属自修复渲染图,绿色标记了裂缝形成的地方，红色箭头表示意外触发现象的拉力的方向

在这里，美国桑迪亚国家实验室的Brad L. Boyce教授联合德克萨斯农工大学的Michael J. Demkowicz教授共同报告了纯金属中的疲劳裂纹可以进行内在自愈合。作者直接观察了纳米级疲劳裂纹的早期发展过程，不出所料，裂纹会在局部微结构障碍处前进、偏转和停止。然而，出乎意料的是，作者还观察到裂纹的愈合过程，这一过程可被描述为由局部应力状态和晶界迁移共同诱发的裂纹侧面冷焊。疲劳裂纹可以通过与微结构特征的局部相互作用在金属中自主愈合，这一前提对工程师如何设计和评估结构材料疲劳寿命的最基本理论提出了挑战。相关成果以“Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding”为题发表在《Nature》上。


作者在40纳米厚的纳米晶铂箔中观察到了高循环疲劳裂纹的产生和扩展。在图1和图2所示的情况中，在 TJ234停止后，观察到疲劳裂纹在644,000至684,000周期之间自主愈合。在这一循环加载阶段，裂纹部分愈合，导致裂纹长度缩短了18 nm（图2k）。裂纹愈合发生在大约664,000次循环时（图2f）。这一愈合过程似乎发生在具有正远场拉伸应力的疲劳加载段，而不是在周期性静态卸载期间。这种自主裂纹愈合不同于成熟的裂纹闭合，因为没有证据表明裂纹在继续加载时会重新打开（图2g-i）。


图1：记录裂纹扩展、愈合和再生关键阶段的静态图像


图2：从动态视频中获取的愈合过程的详细观察

为了探索这种裂纹愈合的潜在机制，作者在原子模型中复制了实验观察到的裂纹尖端附近的晶粒结构。在晶粒2（G2）的{111}平面上插入了一条裂纹，裂纹终止于晶粒边界1 nm 处（图3），与实验观察到的表面痕迹一致。GB34的边界平面垂直于自由表面，与完美的{111}排列偏差6.2°。多晶金属中的相干孪晶边界平面通常与完美的相干性有几度偏差25,26。由于这种偏差，GB34包含一系列相干梯田，这些梯田被肖克利部分孪生位错隔开，间距约为4.5纳米。

图3c-f 说明了在300 K 下保持0.2% 拉伸应变时模型的行为。到30 ps 时，裂纹侧面开始接触。随着裂纹的闭合，其表面焊接在一起。如图3e 所示，裂纹愈合前沿随后以半圆弧形从初始接触点向外扩展。该前沿以大约885米/秒的速度移动，直到整个裂纹完全愈合（图3f），这表明愈合过程是机械的而不是扩散的。

为了研究 TJ 对愈合的影响，作者还构建了一个模型，其中三个晶粒被取向为 G2的单晶体所取代（图3b）。在这种情况下，在0.2% 的拉伸应变下，裂纹没有愈合；裂纹面保持开放，其结构保持不变。因此作者得出结论，图3c-f 所示的裂纹愈合需要裂纹与外加载荷和 TJ 的相互作用。


图3：原子模型确认了边界迁移、裂纹侧面接触和愈合

小结与讨论

本研究报告的裂纹扩展速率远低于每周期10-12米，慢于通常报告的传统疲劳裂纹阈值增长率。这种每周期低于一个晶格参数的增长率通常是由局部休眠若干周期的裂纹造成的。然而，目前的观察结果增加了一种可能性，即裂纹也可能愈合，从而减缓其平均增长率。这种愈合发生在几十纳米的范围内，在纳米尺度上可以观察到，但在中尺度和宏观尺度的疲劳实验中却无法解决。在更快的增长速度下，金属断裂表面的疲劳条纹证明裂纹在每个周期都在增长，但没有愈合的迹象。

本文结果对疲劳裂纹会扩展但永远不会愈合的普遍观点提出了质疑——这一假设在疲劳教科书和文献中根深蒂固。例如，广泛使用的裂纹增长率对数图（da/dN）只能接受正的裂纹增长率。虽然目前的观察结果仅针对纳米晶金属的原位 TEM 研究，但报告的机制可能对材料对循环加载的响应具有更广泛的宏观影响，尤其是在裂纹扩展的阈值应力强度 ΔKth 附近。从机理的角度来看，人们对这一阈值的理解还很模糊，而且之前试图建立理论基础的尝试也没有得到广泛采用。为了阐明愈合对疲劳阈值可能起到的作用，作者建立了愈合对裂纹扩展影响的分析模型。虽然还有其他几种机制也会导致应力强度阈值（例如，氧化物、粗糙度或塑性导致的裂纹闭合），但裂纹愈合在两个方面是独一无二的：（1）它预测了在没有氧化的情况下ΔKth 的增加；（2）它预测了在ΔKth 以下出现负裂纹增长率的可能性。

来源：高分子科学前沿

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