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重磅Nature：顛覆傳統(tǒng)理論！科學(xué)家首次目睹金屬疲勞裂紋自主修復(fù)！！！

2023-07-24 17:45:18 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：金屬在重復(fù)機(jī)械載荷下容易疲勞失效，占結(jié)構(gòu)應(yīng)用中故障的90%。傳統(tǒng)抗疲勞冶金設(shè)計(jì)常采用過度設(shè)計(jì)和大安全系數(shù)，而最近的替代方案則基于潛在愈合機(jī)制和損傷逆轉(zhuǎn)。在這一領(lǐng)域，美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和美國德克薩斯A&M大學(xué)材料科學(xué)與工程系的Michael J. Demkowicz和Brad L. Boyce團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，純金屬在產(chǎn)生疲勞裂紋后，可以通過自我修復(fù)進(jìn)行愈合。他們觀察到納米級疲勞裂紋的早期進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)裂紋可通過側(cè)面冷焊愈合，前提是結(jié)構(gòu)材料疲勞壽命的最基本理論得到正確設(shè)計(jì)和評估。

科學(xué)家們首次目睹了金屬碎片在沒有任何人為干預(yù)的情況下破裂，然后又重新融合在一起。如果新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象能夠被利用，它可能會帶來一場工程革命。

在這場革命中，自我修復(fù)的發(fā)動機(jī)、橋梁和飛機(jī)可消除磨損造成的損害，使其變得更安全、更持久。美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和得克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)19日在Nature上發(fā)表，標(biāo)題為“Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding”，進(jìn)一步揭示了疲勞在各種服務(wù)環(huán)境中的影響。

金屬納米級自我修復(fù)的藝術(shù)渲染圖。綠色標(biāo)記了裂縫形成的地方，然后又融合在一起。紅色箭頭表示意外觸發(fā)該現(xiàn)象的拉力方向。圖片/桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室

此次，研究團(tuán)隊(duì)看到消失的裂縫是納米級的裂縫，雖小卻舉足輕重。桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)家布拉德·博伊斯表示，從電子設(shè)備中的焊點(diǎn)到車輛的發(fā)動機(jī)，再到開車經(jīng)過的橋梁，這些結(jié)構(gòu)經(jīng)常由于循環(huán)載荷而出現(xiàn)不可預(yù)測的故障，從而導(dǎo)致裂縫萌生并最終斷裂。

金屬材料在使用過程中容易出現(xiàn)裂紋，這是因?yàn)榻饘偈艿酵獠苛α炕蜷L期疲勞損傷導(dǎo)致的局部損傷。雖然金屬材料通常具有一定的延展性和韌性，但過大的外部力量或長期使用會導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)。疲勞裂紋是由于金屬材料在循環(huán)載荷下的微觀組織和晶界疲勞損傷導(dǎo)致的，其產(chǎn)生和擴(kuò)展需要經(jīng)歷一個漫長的過程。

一旦疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度，就會導(dǎo)致材料失效，因此局部應(yīng)力和晶界遷移是裂紋遷移中重要因素。金屬材料的力學(xué)性能、微觀組織和外界環(huán)境等因素都會影響裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

為確保金屬材料的使用壽命和安全性，需要及時檢測和修復(fù)裂紋和疲勞。

美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和美國德克薩斯A&M大學(xué)材料科學(xué)與工程系的Michael J. Demkowicz和Brad L. Boyce團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，純金屬在產(chǎn)生疲勞裂紋后，可以通過自我修復(fù)進(jìn)行愈合。他們觀察到納米級疲勞裂紋的早期進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)裂紋可通過側(cè)面冷焊愈合，前提是結(jié)構(gòu)材料疲勞壽命的最基本理論得到正確設(shè)計(jì)和評估。這項(xiàng)重要的工作已在Nature上發(fā)表，標(biāo)題為“Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding”，進(jìn)一步揭示了疲勞在各種服務(wù)環(huán)境中的影響。

原文：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06223-0

1、模擬結(jié)果顯示，盡管邊界遷移可以促進(jìn)裂紋愈合，但由于應(yīng)力不均勻，在其他粗晶粒金屬中也存在類似現(xiàn)象。

2、我們開發(fā)了一種新的分析模型來探討裂紋愈合對裂紋擴(kuò)展的影響，發(fā)現(xiàn)裂紋愈合在兩個方面具有獨(dú)特性：首先，在無氧環(huán)境下，裂紋愈合可以增加ΔKth；其次，低于ΔKth的負(fù)裂紋擴(kuò)展速率也是可能的。這些發(fā)現(xiàn)對于理解涉及材料疲勞和斷裂的應(yīng)用具有重要的意義。

在這個領(lǐng)域，抗疲勞冶金的微觀結(jié)構(gòu)特征可以在疲勞過程中防止裂紋的形成，并且?guī)砹鸭y的自動愈合效果。通過透射電子顯微鏡（TEM）拉伸高周疲勞的實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)裂紋的附近出現(xiàn)了納米級別的Pt愈合物，這是由于裂紋處的三重點(diǎn)結(jié)構(gòu)（TJ）被捕獲并沿著不同的裂紋路徑愈合。在愈合過程中，遠(yuǎn)場循環(huán)應(yīng)力保持拉伸，這也促進(jìn)了焊接過程。原子級和連續(xù)級建模的結(jié)果表明，不均勻的局部應(yīng)力和裂紋尖端附近晶界的逐漸遷移是導(dǎo)致這一行為的原因。這項(xiàng)研究的結(jié)果對于理解疲勞響應(yīng)和抗疲勞材料的設(shè)計(jì)具有重要意義，因?yàn)樵诩{米級別上，純金屬材料偶爾也可以實(shí)現(xiàn)自動愈合

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