疲勞通常指反復(fù)施加循環(huán)載荷(遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力極限)而引起的一種材料弱化過程。實(shí)際服役過程中約90%金屬構(gòu)件的失效均由疲勞斷裂引起，其原因是材料在循環(huán)加載過程中微觀結(jié)構(gòu)不斷變化、遭受嚴(yán)重且不可逆轉(zhuǎn)的累積損傷，從而導(dǎo)致材料循環(huán)硬化或軟化直至最終失效。金屬材料的非穩(wěn)定循環(huán)響應(yīng)及疲勞壽命強(qiáng)烈依賴于其疲勞歷史，實(shí)際復(fù)雜循環(huán)載荷服役條件下金屬構(gòu)件的疲勞失效和壽命預(yù)測更加困難。因此，抗疲勞損傷材料發(fā)展的重大瓶頸問題就是如何減小或抑制循環(huán)變形過程中微觀結(jié)構(gòu)局域化和不可逆損傷。
最近，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室盧磊研究員研究組和美國布朗大學(xué)高華健教授研究組合作在這一領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)具有晶體學(xué)對稱結(jié)構(gòu)的納米孿晶金屬不但具有循環(huán)穩(wěn)定響應(yīng)而且疲勞累計損傷非常有限。這種具有獨(dú)特的穩(wěn)定循環(huán)響應(yīng)特征和有限累計損傷的納米結(jié)構(gòu)為發(fā)展抗疲勞損傷的高性能工程金屬材料提供了新思路。
研究人員利用直流電解沉積技術(shù)成功制備了塊體擇優(yōu)取向納米孿晶純銅樣品。通過傳統(tǒng)拉-壓變幅應(yīng)變控制疲勞實(shí)驗(yàn)研究了該樣品的相關(guān)循環(huán)應(yīng)力響應(yīng), 發(fā)現(xiàn)在恒定應(yīng)變幅下，其應(yīng)力響應(yīng)迅速穩(wěn)定（既不硬化也不軟化）；尤為重要的是，當(dāng)應(yīng)變幅階梯式遞進(jìn)增加以及隨后階梯式遞進(jìn)減小時，該樣品的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)完全可逆，即當(dāng)應(yīng)變幅恒定時，應(yīng)力和應(yīng)變具有一一對應(yīng)關(guān)系，且循環(huán)滯后環(huán)完全重合（圖1）。該結(jié)果表明經(jīng)過上萬次循環(huán)加載變形之后，納米孿晶金屬的塑性變形是可逆的且沒有累積損傷，表現(xiàn)出一種獨(dú)特的與歷史無關(guān)的穩(wěn)定循環(huán)響應(yīng)特征。微觀結(jié)構(gòu)分析與大規(guī)模分子動力學(xué)計算模擬發(fā)現(xiàn)循環(huán)載荷作用下，納米孿晶結(jié)構(gòu)中僅有單滑移位錯啟動，并在納米尺度孿晶間形成大量超級穩(wěn)定、相互平行的高度關(guān)聯(lián)項(xiàng)鏈狀位錯（圖2）。這種關(guān)聯(lián)項(xiàng)鏈狀位錯結(jié)構(gòu)往復(fù)可逆運(yùn)動承擔(dān)塑性變形，但相互之間并無交互作用，既不破壞納米孿晶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也不造成累積損傷。納米孿晶金屬與歷史無關(guān)的穩(wěn)定循環(huán)響應(yīng)特征與傳統(tǒng)單晶、粗晶和納米晶體金屬具有的結(jié)構(gòu)非穩(wěn)定化和嚴(yán)重?fù)p傷累積的循環(huán)變形行為截然不同。
該研究獲得科技部國家重大科學(xué)研究計劃、國家自然科學(xué)基金委國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究等項(xiàng)目資助。該成果發(fā)表在《Nature》（《自然》）周刊（2017年10月30日在線 Advance Online Publication (AOP) on Nature's website）。
圖1. 納米孿晶Cu與歷史無關(guān)的穩(wěn)定循環(huán)響應(yīng)行為。在變幅疲勞實(shí)驗(yàn)中, 具有不同孿晶片層和晶粒尺寸的兩類納米孿晶樣品隨塑性應(yīng)變幅階梯式遞進(jìn)增加時的循環(huán)響應(yīng)曲線(圖a和d)和隨塑性應(yīng)變幅階梯式遞進(jìn)減小時的循環(huán)響應(yīng)曲線(圖b和e)；圖c和f分別為兩類樣品在不同應(yīng)變幅時的滯后環(huán)。應(yīng)變幅恒定時，應(yīng)力和應(yīng)變具有一一對應(yīng)關(guān)系，循環(huán)滯后環(huán)完全重合。
圖2.分子動力學(xué)計算模擬疲勞試驗(yàn)過程中納米孿晶片層內(nèi)形成的高度關(guān)聯(lián)項(xiàng)鏈狀位錯及穩(wěn)定孿晶界面。
