【背景介紹】

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

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異力學性能的一種有效策略。在循環載荷作用下，納米孿晶（NT）金屬不僅表現出極高的疲勞極限，還可以顯著提高疲勞壽命和抑制疲勞裂紋擴展速率，克服傳統粗晶和超細晶結構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系。

【成果簡介】

近期，中國科學院金屬研究所盧磊研究員和布朗大學高華健教授團隊報道了擇優取向納米孿晶銅（NT-Cu）經預變形處理后表現出的非對稱循環響應現象，并研究了其相關機理。在這項工作中，他們對納米孿晶銅施加小幅度拉伸預應變，引入受限位錯，然后進行應變控制的拉壓對稱循環試驗，研究預先引入的受限位錯對隨后循環變形行為的影響。他們發現，預變形處理后的納米孿晶銅試樣的循環響應具有明顯的拉壓不對稱性，且循環不對稱程度隨著循環次數的增加或塑性應變幅值的增大而逐漸減弱。在足夠大的塑性應變幅度下，預變形后的納米孿晶銅試樣在循環變形后又恢復到其對稱循環響應狀態。分子動力學模擬和微結構表征同時證明，在拉伸預變形過程中，受限位錯的尾部在孿晶界上延伸，形成錯配位錯，具有明顯的結構不對稱性，從而引起不對稱循環響應。在循環變形過程中，相鄰納米孿晶內部的受限位錯的尾部相互連接形成結構對稱的項鏈型關聯位錯（CND）。CND沿孿晶界來回移動，無定向滑移阻力，引起對稱循環響應。相關成果以“Asymmetric cyclic response of tensile pre-deformed Cu with highly oriented nanoscale twins”發表于Acta Mater.期刊上。

【圖文摘要】

【圖文導讀】

圖一、NT-，CG-和UFG-Cu的循環對稱性

NT-Cu（a）、UFG-Cu（b）和CG Cu（c）在塑性應變幅值（Δεpl/2）為0.05%時，應力-應變滯回環隨循環次數的變化。NT-、UFG-和CG-Cu均表現為對稱循環響應。

圖二、1.5%拉伸預變形后NT-Cu的循環響應

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

圖三、3%拉伸預變形后NT-Cu的循環響應

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

圖四、3%拉伸預變形后UFG-和CG-Cu的循環響應

3%拉伸預變形應變（a）后，當Δεpl/2為0.02%時，UFG-（a，b，c）和CG-Cu（d，e，f）的拉伸預變形的工程應力-應變曲線（a，d）及應力-應變滯回環（b，e）和循環應力演化（e，f）。 UFG-和CG-Cu的不對稱響應行為在初始的70個循環周次內迅速消失，恢復到對稱狀態。

圖五、循環周次和應變幅對NT-、UFG-和CG-Cu循環響應的影響

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

圖六、NT-Cu的預拉伸及拉壓循環模擬

（a）NT-Cu計算構型及拉伸預變形應力-應變曲線；

（b~d）NT-Cu在循環總應變幅（Δεt/2）為0.5%、1%和2%時的應力-應變滯回環；

（e~g）Δεt/2對循環應力σmax和σmin演化的影響。

圖七、NT-Cu和無孿晶Cu循環不對稱性的模擬結果

拉伸預變形后，在不同循環總應變幅下，NT-Cu（a）和無孿晶Cu（b）的應力比∣σmax/σmin∣隨循環次數的變化。模擬和試驗結果一致。

圖八、無孿晶Cu的拉伸預變形和拉壓循環模擬

（a）無孿晶Cu的計算構型和拉伸預變形應力-應變曲線；

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

（e~g）Δεt/2對循環應力σmax和σmin演化的影響。

圖九、拉伸預變形NT-Cu循環不對稱機制探討

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

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

圖十、不對稱循環響應和對稱循環響應轉變機理示意圖

（a~b）拉伸預變形激發具有不對稱結構的受限位錯，引起不對稱循環響應；

（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構的關聯位錯（CND），引起對稱循環響應；

（e）黑色箭頭表示關聯位錯。

圖十一、壓縮預變形NT-Cu循環不對稱的MD模擬

（a）壓縮預變形的工程應力-應變曲線；

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

【小結】

綜上所述，作者通過系統的實驗和分子動力學模擬研究了拉伸預變形對擇優取向納米孿晶塊體多晶銅循環行為的影響，發現拉伸預變形會引起明顯的拉壓循環不對稱性。在循環變形過程中，拉伸階段的最大應力比壓縮階段的最小應力的數值大得多。這種由預變形引起的循環不對稱性有別于傳統金屬的包興格效應。進一步研究發現，拉伸預變形NT-Cu的循環非對稱響應是受限位錯的不對稱結構所致。循環不對稱隨應變幅和循環次數的增加而減小，受限位錯逐漸轉化為關聯位錯。作者認為，預變形引起的循環不對稱性不僅加深了對金屬疲勞行為的理解，而且可以為設計抗疲勞工程材料與結構提供指導。

文獻鏈接：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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