【背景介紹】

金屬材料及其構(gòu)件的疲勞失效是指在循環(huán)應(yīng)力幅小于材料的屈服強度的疲勞條件下，由金屬內(nèi)部的缺陷和疲勞損傷積累造成的。傳統(tǒng)粗晶（CG）金屬由于屈服強度低，其疲勞極限也較低。最近二十年，材料學(xué)者對超細(xì)晶（UFG）和納米晶（NC）金屬進(jìn)行廣泛而深入的研究，發(fā)現(xiàn)它們的強度和疲勞極限都有所提高。然而，循環(huán)變形過程中局部晶粒粗化和剪切帶等常常發(fā)生，具有嚴(yán)重的應(yīng)變局部化，因此這些材料通常表現(xiàn)出循環(huán)軟化和較短的（應(yīng)變控制）疲勞壽命。從安全性角度考慮，這些問題嚴(yán)重限制了高強度納米金屬材料的工程應(yīng)用。

近期的研究表明，在微米尺寸的晶粒中引入高密度的擇優(yōu)取向納米孿晶界面，是金屬材料獲得理想拉伸強度、良好延展性和加工硬化能力等優(yōu)異力學(xué)性能的一種有效策略。在循環(huán)載荷作用下，納米孿晶（NT）金屬不僅表現(xiàn)出極高的疲勞極限，還可以顯著提高疲勞壽命和抑制疲勞裂紋擴(kuò)展速率，克服傳統(tǒng)粗晶和超細(xì)晶結(jié)構(gòu)金屬中高周疲勞性能與低周疲勞性能之間的無法兼得的倒置關(guān)系。

【成果簡介】

近期，中國科學(xué)院金屬研究所盧磊研究員和布朗大學(xué)高華健教授團(tuán)隊報道了擇優(yōu)取向納米孿晶銅（NT-Cu）經(jīng)預(yù)變形處理后表現(xiàn)出的非對稱循環(huán)響應(yīng)現(xiàn)象，并研究了其相關(guān)機理。在這項工作中，他們對納米孿晶銅施加小幅度拉伸預(yù)應(yīng)變，引入受限位錯，然后進(jìn)行應(yīng)變控制的拉壓對稱循環(huán)試驗，研究預(yù)先引入的受限位錯對隨后循環(huán)變形行為的影響。他們發(fā)現(xiàn)，預(yù)變形處理后的納米孿晶銅試樣的循環(huán)響應(yīng)具有明顯的拉壓不對稱性，且循環(huán)不對稱程度隨著循環(huán)次數(shù)的增加或塑性應(yīng)變幅值的增大而逐漸減弱。在足夠大的塑性應(yīng)變幅度下，預(yù)變形后的納米孿晶銅試樣在循環(huán)變形后又恢復(fù)到其對稱循環(huán)響應(yīng)狀態(tài)。分子動力學(xué)模擬和微結(jié)構(gòu)表征同時證明，在拉伸預(yù)變形過程中，受限位錯的尾部在孿晶界上延伸，形成錯配位錯，具有明顯的結(jié)構(gòu)不對稱性，從而引起不對稱循環(huán)響應(yīng)。在循環(huán)變形過程中，相鄰納米孿晶內(nèi)部的受限位錯的尾部相互連接形成結(jié)構(gòu)對稱的項鏈型關(guān)聯(lián)位錯（CND）。CND沿孿晶界來回移動，無定向滑移阻力，引起對稱循環(huán)響應(yīng)。相關(guān)成果以“Asymmetric cyclic response of tensile pre-deformed Cu with highly oriented nanoscale twins”發(fā)表于Acta Mater.期刊上。

【圖文摘要】

【圖文導(dǎo)讀】

圖一、NT-，CG-和UFG-Cu的循環(huán)對稱性

NT-Cu（a）、UFG-Cu（b）和CG Cu（c）在塑性應(yīng)變幅值（Δεpl/2）為0.05%時，應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)隨循環(huán)次數(shù)的變化。NT-、UFG-和CG-Cu均表現(xiàn)為對稱循環(huán)響應(yīng)。

圖二、1.5%拉伸預(yù)變形后NT-Cu的循環(huán)響應(yīng)

1.5%拉伸預(yù)變形應(yīng)變（a）后，當(dāng)Δεpl/2為0.02%（b，e），0.05%（c，f）和0.15%（d，g）時，NT-Cu的應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)（b，c，d）和循環(huán)應(yīng)力演化（e，f，g）。預(yù)變形引起NT-Cu的不對稱循環(huán)響應(yīng)，在循環(huán)初始階段以及小塑性應(yīng)變幅時更明顯。

圖三、3%拉伸預(yù)變形后NT-Cu的循環(huán)響應(yīng)

3%拉伸預(yù)變形應(yīng)變（a）后，當(dāng)Δεpl/2為0.02%（b，e），0.05%（c，f）和0.15%（d，g）時，NT-Cu的應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)（b，c，d）和循環(huán)應(yīng)力演化（e，f，g）。預(yù)變形引起NT-Cu的不對稱循環(huán)響應(yīng)，在循環(huán)初始階段以及小塑性應(yīng)變幅時更明顯。

圖四、3%拉伸預(yù)變形后UFG-和CG-Cu的循環(huán)響應(yīng)

3%拉伸預(yù)變形應(yīng)變（a）后，當(dāng)Δεpl/2為0.02%時，UFG-（a，b，c）和CG-Cu（d，e，f）的拉伸預(yù)變形的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線（a，d）及應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)（b，e）和循環(huán)應(yīng)力演化（e，f）。 UFG-和CG-Cu的不對稱響應(yīng)行為在初始的70個循環(huán)周次內(nèi)迅速消失，恢復(fù)到對稱狀態(tài)。

圖五、循環(huán)周次和應(yīng)變幅對NT-、UFG-和CG-Cu循環(huán)響應(yīng)的影響

在分別施加1.5%和3%拉伸預(yù)變形應(yīng)變后，NT-Cu（a）、UFG-和CG-Cu（b）的應(yīng)力比（σmax/∣σmin∣）在不同應(yīng)變幅值下隨循環(huán)周次的演化。在較大應(yīng)變幅下，拉伸預(yù)變形引起的NT-Cu的循環(huán)不對稱性消減更快。

圖六、NT-Cu的預(yù)拉伸及拉壓循環(huán)模擬

（a）NT-Cu計算構(gòu)型及拉伸預(yù)變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

（b~d）NT-Cu在循環(huán)總應(yīng)變幅（Δεt/2）為0.5%、1%和2%時的應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)；

（e~g）Δεt/2對循環(huán)應(yīng)力σmax和σmin演化的影響。

圖七、NT-Cu和無孿晶Cu循環(huán)不對稱性的模擬結(jié)果

拉伸預(yù)變形后，在不同循環(huán)總應(yīng)變幅下，NT-Cu（a）和無孿晶Cu（b）的應(yīng)力比∣σmax/σmin∣隨循環(huán)次數(shù)的變化。模擬和試驗結(jié)果一致。

圖八、無孿晶Cu的拉伸預(yù)變形和拉壓循環(huán)模擬

（a）無孿晶Cu的計算構(gòu)型和拉伸預(yù)變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

（b~d）無孿晶Cu在循環(huán)總應(yīng)變幅（Δεt/2）為0.5%、1%和2%時的應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)；

（e~g）Δεt/2對循環(huán)應(yīng)力σmax和σmin演化的影響。

圖九、拉伸預(yù)變形NT-Cu循環(huán)不對稱機制探討

（a）1.5%拉伸預(yù)變形應(yīng)變后，以及在Δεpl/2為0.02%（b）和0.15%（c）應(yīng)變幅下，循環(huán)70周次后試樣橫截面的TEM照片；

（d）雙光束衍射斑（g=[-200]M）。拉伸預(yù)變形引起的隨機分布的受限位錯發(fā)生關(guān)聯(lián)，形成項鏈型關(guān)聯(lián)位錯（CND）。

圖十、不對稱循環(huán)響應(yīng)和對稱循環(huán)響應(yīng)轉(zhuǎn)變機理示意圖

（a~b）拉伸預(yù)變形激發(fā)具有不對稱結(jié)構(gòu)的受限位錯，引起不對稱循環(huán)響應(yīng)；

（c）黑色箭頭表示孿晶界上的錯配位錯；

（d）受限位錯連接形成具有對稱結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)位錯（CND），引起對稱循環(huán)響應(yīng)；

（e）黑色箭頭表示關(guān)聯(lián)位錯。

圖十一、壓縮預(yù)變形NT-Cu循環(huán)不對稱的MD模擬

（a）壓縮預(yù)變形的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

（b）不同循環(huán)總應(yīng)變幅度下NT-Cu的應(yīng)力比σmax/σmin隨循環(huán)周次的變化。

【小結(jié)】

綜上所述，作者通過系統(tǒng)的實驗和分子動力學(xué)模擬研究了拉伸預(yù)變形對擇優(yōu)取向納米孿晶塊體多晶銅循環(huán)行為的影響，發(fā)現(xiàn)拉伸預(yù)變形會引起明顯的拉壓循環(huán)不對稱性。在循環(huán)變形過程中，拉伸階段的最大應(yīng)力比壓縮階段的最小應(yīng)力的數(shù)值大得多。這種由預(yù)變形引起的循環(huán)不對稱性有別于傳統(tǒng)金屬的包興格效應(yīng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，拉伸預(yù)變形NT-Cu的循環(huán)非對稱響應(yīng)是受限位錯的不對稱結(jié)構(gòu)所致。循環(huán)不對稱隨應(yīng)變幅和循環(huán)次數(shù)的增加而減小，受限位錯逐漸轉(zhuǎn)化為關(guān)聯(lián)位錯。作者認(rèn)為，預(yù)變形引起的循環(huán)不對稱性不僅加深了對金屬疲勞行為的理解，而且可以為設(shè)計抗疲勞工程材料與結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)。

文獻(xiàn)鏈接：Asymmetric cyclic response of tensile pre-deformed Cu with highly oriented nanoscale twins（Acta Mater. 2019, DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.06.026）

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[1] Q.S. Pan, H.F. Zhou, Q.H. Lu, H.J. Gao, L. Lu, History-independent cyclic response of nanotwinned metals, Nature 551 （2017） 214-217.

[2] Q.S. Pan, L. Lu, Strain-controlled cyclic stability and properties of Cu with highly oriented nanoscale twins, Acta Mater. 81 （2014） 248-257.

[3] J.Z. Long, Q.S. Pan, N.R. Tao, M. Dao, S. Suresh, L. Lu, Improved fatigue resistance of gradient nanograined Cu, Acta Materialia 166 （2019） 56-66.

[4] J.L. Jing, Q.S. Pan, J.Z. Long, N.R Tao, L. Lu, Effect of volume fraction of gradient nanograined layer on high-cycle fatigue behavior of Cu, Scripta Materialia 161 （2019） 74-77.

[5] J.Z.Long, Q.S. Pan, N.R. Tao, L. Lu, Residual stress induced tension-compression asymmetry of gradient nanograined copper, Mater. Res. Lett. 6 （2018） 456-461.

[6] J.Z. Long, Q.S. Pan, N.R. Tao, L. Lu, Abnormal grain coarsening in cyclically deformed gradient nanograined Cu, Scripta Materialia 145 （2018） 99-103.