在國家自然科學基金項目（項目編號：51527801、51471032、51231002）等資助下，北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室王沿東教授團隊與美國阿貢國家實驗室LiuWenjun博士、佐治亞理工Zhu Ting教授等研究者合作，開展金屬材料疲勞形變亞微米尺度應力分布原位研究，揭示了疲勞剪切帶損傷的微觀機制。研究成果以“Unraveling Submicron-scale mechanical heterogeneity by three-dimensional X-ray microdiffraction”（三維X射線微衍射技術(shù)揭示亞微米尺度形變與損傷不均勻性）為題，在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America （PNAS）上發(fā)表。

    論文鏈接

    http://www.pnas.org/content/early/2017/12/27/1711994115.full

    循環(huán)載荷作用下工程材料的疲勞行為是航空航天、高鐵、核工業(yè)等領(lǐng)域服役安全設計的重要研究課題。

    金屬材料在應力載荷下的疲勞形變導致位錯局域累積，造成材料損傷及微納裂紋形核。對于具有平面滑移特征的合金，在疲勞過程中形成的駐留形變剪切帶（Persistent Lüders Bands）為損傷破壞的基本單元，其形成與擴展決定材料的疲勞強度與壽命，而剪切帶的三維介觀位錯模型及時空分辨的動態(tài)演化是形變與損傷領(lǐng)域研究的熱點與難點。

    盡管以前大量實驗關(guān)注形變帶的形成，但由于缺乏先進的材料表征手段，有關(guān)形變帶內(nèi)局域應力／應變集中、亞結(jié)構(gòu)演化及微觀形變損傷過程的解釋一直眾說紛紜并長期困擾著材料科學家。

    最近，王沿東教授團隊及合作者利用同步輻射X射線微束衍射原位分析技術(shù)，通過對疲勞剪切帶位錯結(jié)構(gòu)引起的巨大應力梯度與微小取向梯度的精確表征，確定了亞微米尺度應力場的動態(tài)演化精細過程；揭示了幾何必需位錯對剪切帶形成、剪切帶交互作用及微觀損傷的影響機理；以平面滑移金屬低應變幅循環(huán)形變?yōu)槔吻辶私徊婕羟袔帒幸鹌趬勖x經(jīng)典Coffin-Manson定律的物理本質(zhì)。

    同時利用具有三維分辨的同步輻射原位表征手段，開展塊體材料局部形變與損傷破壞研究，根據(jù)晶粒取向相關(guān)的疲勞損傷測量，提出剪切帶交互作用的新位錯模型。這一研究成果對金屬材料的疲勞斷裂行為和使用壽命的準確預測及高性能設計具有重要指導意義。

基于同步輻射微束技術(shù)的原位實驗示意圖

疲勞損傷晶粒及進一步拉伸（0.5%應變下）具有亞微米分辨率的彈性應變分布（上圖）。疲勞剪切帶交叉C1、C2區(qū)域拉伸前后局部彈性應力場的動態(tài)演化（下圖）。

疲勞損傷晶粒取向差分布；疲勞損傷晶粒衍射峰半高寬（表征局域彈性梯度）分布

交叉疲勞剪切帶位錯模型及局域損傷應力場模擬

    — END —

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責任編輯：王元

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