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重磅Nature：顛覆傳統理論！科學家首次目睹金屬疲勞裂紋自主修復！！！

2023-07-24 17:45:18 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：金屬在重復機械載荷下容易疲勞失效，占結構應用中故障的90%。傳統抗疲勞冶金設計常采用過度設計和大安全系數，而最近的替代方案則基于潛在愈合機制和損傷逆轉。在這一領域，美國桑迪亞國家實驗室和美國德克薩斯A&M大學材料科學與工程系的Michael J. Demkowicz和Brad L. Boyce團隊發現，純金屬在產生疲勞裂紋后，可以通過自我修復進行愈合。他們觀察到納米級疲勞裂紋的早期進展，發現裂紋可通過側面冷焊愈合，前提是結構材料疲勞壽命的最基本理論得到正確設計和評估。

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

在這場革命中，自我修復的發動機、橋梁和飛機可消除磨損造成的損害，使其變得更安全、更持久。美國桑迪亞國家實驗室和得克薩斯農工大學的研究團隊19日在Nature上發表，標題為“Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding”，進一步揭示了疲勞在各種服務環境中的影響。

金屬納米級自我修復的藝術渲染圖。綠色標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該現象的拉力方向。圖片/桑迪亞國家實驗室

此次，研究團隊看到消失的裂縫是納米級的裂縫，雖小卻舉足輕重。桑迪亞國家實驗室材料科學家布拉德·博伊斯表示，從電子設備中的焊點到車輛的發動機，再到開車經過的橋梁，這些結構經常由于循環載荷而出現不可預測的故障，從而導致裂縫萌生并最終斷裂。

金屬材料在使用過程中容易出現裂紋，這是因為金屬受到外部力量或長期疲勞損傷導致的局部損傷。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致裂紋的出現。疲勞裂紋是由于金屬材料在循環載荷下的微觀組織和晶界疲勞損傷導致的，其產生和擴展需要經歷一個漫長的過程。

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

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裂紋和疲勞。

美國桑迪亞國家實驗室和美國德克薩斯A&M大學材料科學與工程系的Michael J. Demkowicz和Brad L. Boyce團隊發現，純金屬在產生疲勞裂紋后，可以通過自我修復進行愈合。他們觀察到納米級疲勞裂紋的早期進展，發現裂紋可通過側面冷焊愈合，前提是結構材料疲勞壽命的最基本理論得到正確設計和評估。這項重要的工作已在Nature上發表，標題為“Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding”，進一步揭示了疲勞在各種服務環境中的影響。

原文：

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

1、模擬結果顯示，盡管邊界遷移可以促進裂紋愈合，但由于應力不均勻，在其他粗晶粒金屬中也存在類似現象。

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

在這個領域，抗疲勞冶金的微觀結構特征可以在疲勞過程中防止裂紋的形成，并且帶來裂紋的自動愈合效果。通過透射電子顯微鏡（TEM）拉伸高周疲勞的實驗，我們發現裂紋的附近出現了納米級別的Pt愈合物，這是由于裂紋處的三重點結構（TJ）被捕獲并沿著不同的裂紋路徑愈合。在愈合過程中，遠場循環應力保持拉伸，這也促進了焊接過程。原子級和連續級建模的結果表明，不均勻的局部應力和裂紋尖端附近晶界的逐漸遷移是導致這一行為的原因。這項研究的結果對于理解疲勞響應和抗疲勞材料的設計具有重要意義，因為在納米級別上，純金屬材料偶爾也可以實現自動愈合

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