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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
金屬疲勞涉及在重復機械載荷下裂紋逐漸擴展而逐漸失效。在結構應用中，疲勞占使用中故障的90%。金屬結構合金經過數十年的冶金演變而細化，以抵抗變形、開裂和失效。增韌機制，如裂紋偏轉、分支和橋聯，是廣泛使用的耗散機械能的策略。疲勞的預防依賴于大量安全因素的實施和低效的過度設計。
然而，金屬抗疲勞研究仍存在以下問題：
1、合金的損傷修復相關研究較為貧乏
雖然對金屬的增韌機制進行了很多研究，但在設計能夠修復損傷的合金方面所做的努力要少得多，而在其他材料中通常存在基于潛在愈合機制和損傷逆轉的替代方案。
2、尚未實現不加熱條件下的金屬自愈
大多數金屬的自愈方法使用外在熱源和潛在的可激活成分來修復損傷，但其內在的微觀結構特征也可以在不加熱至高于環境溫度的情況下修復損傷。
3、自修復有可能影響金屬結構進而造成延遲的災難性失效
自修復有可能影響金屬的許多結構應用，特別是循環載荷下的疲勞失效，即使有大量的經驗數據，延遲的災難性失效也很難預測
新思路
有鑒于此，美國桑迪亞國家實驗室Brad L. Boyce等人報告純金屬中的疲勞裂紋可以進行內在的自修復。zuozhe直接觀察納米級疲勞裂紋的早期進展，正如預期的那樣，裂紋在局部微觀結構障礙處前進、缺陷和停滯。然而，作者還觀察到裂紋通過可描述為由局部應力狀態和晶界遷移的組合引起的裂紋扇形冷焊的過程來愈合。疲勞裂紋可以通過與微結構特征的局部相互作用在金屬中自主愈合的前提，對工程師如何設計和評估結構材料中的疲勞壽命提出了最基本的理論挑戰。此外，作者還討論了在各種應用環境中對疲勞的影響。
技術方案：
1、觀察了納米晶Pt箔裂紋的萌生與擴展
作者在40 nm厚的納米晶Pt箔中觀察到高周疲勞裂紋的萌生和擴展，證實了室溫下的自主疲勞裂紋愈合。
2、解析了裂紋愈合機制
作者通過原子模型探究了裂紋愈合機制，表明GB34的遷移產生了局部內應力，用于閉合裂紋尖端附近的裂紋面。裂紋愈合需要TJ處產生不均勻應力，GB34遷移促進愈合。
3、證實了冷焊自愈機制具有普適性
作者在Pt的重復實驗中，成功觀察到裂紋的自愈過程，通過原子模擬也證實了其他金屬的裂紋愈合。
技術優勢：
1、解析了金屬微觀結構與裂紋自愈的構效關系
在本工作中，作者通過研究表明內在的微觀結構特征不僅可以阻止疲勞裂紋，還可以導致裂紋愈合。
2、實現了金屬通過冷焊進行自我修復
作者觀察到裂紋通過可描述為由局部應力狀態和晶界遷移的組合引起的裂紋扇形冷焊的過程來愈合，原子級和連續體級模擬表明，裂紋尖端附近的不均勻局部應力和晶界的漸進遷移促進了自愈行為。
技術細節
裂紋的萌生與擴展
在40 nm厚的納米晶Pt箔中觀察到高周疲勞裂紋的萌生和擴展。作者觀察到644000至684000次循環之間的自主疲勞裂紋愈合。在這個循環加載階段，裂紋部分愈合，導致裂紋長度減少18 nm。這種自主裂紋愈合與公認的裂紋閉合不同，因為沒有證據表明裂紋在持續加載時重新打開。此外，經過 116000 個額外循環后，裂紋隨后開始向新方向生長，表明之前的裂紋確實已經愈合。伴隨著裂紋愈合，微觀結構發生了顯著的演變，包括孿晶界明顯遷移 1-2 納米。這些晶界遷移和裂紋愈合的觀察發生在接近室溫的情況下。
圖 記錄裂紋擴展、愈合和再生關鍵階段的靜態圖像
圖 從動態視頻中詳細觀察愈合過程
裂紋愈合機制
為了探索裂紋愈合的潛在機制，作者在原子模型中復制了實驗觀察到的裂紋尖端附近的晶粒結構。結果表明愈合過程是機械性的而不是擴散性的。在裂紋愈合的同時，晶界在裂紋尖端附近遷移了大約2.3??，這一效應與實驗觀察到的 GB34在裂紋愈合過程中的演化在質量上是一致的。模型演示表明裂紋愈合需要裂紋與所施加的載荷和TJ的相互作用。連續體模型表明，GB34的遷移產生了局部內應力，用于閉合裂紋尖端附近的裂紋面。因此，裂紋愈合需要TJ處產生不均勻應力，GB34遷移促進愈合。
圖 原子模型確認邊界遷移、裂紋側面接觸和愈合
自愈機制普適性研究
模擬表明，在局部晶界遷移產生的內應力的影響下，裂紋面通過閉合和冷焊而發生裂紋愈合。作者表明，即使在外部拉伸載荷作用下，這些應力也可以導致裂紋愈合。在Pt的重復實驗中，在三個成功的原位裂紋擴展實驗中的兩個中觀察到愈合。這種現象也不是Pt特有的。其他原子模擬也證實了其他金屬的裂紋愈合。
總之，本文的結果挑戰了人們普遍認為的疲勞裂紋會擴展但永遠不會愈合的觀點。雖然目前的觀察結果特定于納米晶金屬的原位TEM研究，但所報道的機制可能對材料對循環載荷的響應具有更廣泛的宏觀影響。
參考文獻：
Barr, C.M., Duong, T., Bufford, D.C. et al. Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding. Nature (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06223-0
