重磅Nature：颠覆传统理论！科学家首次目睹金属疲劳裂纹自主修复！！！

2023-07-24 17:45:18 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：金属在重复机械载荷下容易疲劳失效，占结构应用中故障的90%。传统抗疲劳冶金设计常采用过度设计和大安全系数，而最近的替代方案则基于潜在愈合机制和损伤逆转。在这一领域，美国桑迪亚国家实验室和美国德克萨斯A&M大学材料科学与工程系的Michael J. Demkowicz和Brad L. Boyce团队发现，纯金属在产生疲劳裂纹后，可以通过自我修复进行愈合。他们观察到纳米级疲劳裂纹的早期进展，发现裂纹可通过侧面冷焊愈合，前提是结构材料疲劳寿命的最基本理论得到正确设计和评估。

科学家们首次目睹了金属碎片在没有任何人为干预的情况下破裂，然后又重新融合在一起。如果新发现的现象能够被利用，它可能会带来一场工程革命。

在这场革命中，自我修复的发动机、桥梁和飞机可消除磨损造成的损害，使其变得更安全、更持久。美国桑迪亚国家实验室和得克萨斯农工大学的研究团队19日在Nature上发表，标题为“Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding”，进一步揭示了疲劳在各种服务环境中的影响。

金属纳米级自我修复的艺术渲染图。绿色标记了裂缝形成的地方，然后又融合在一起。红色箭头表示意外触发该现象的拉力方向。图片/桑迪亚国家实验室

此次，研究团队看到消失的裂缝是纳米级的裂缝，虽小却举足轻重。桑迪亚国家实验室材料科学家布拉德·博伊斯表示，从电子设备中的焊点到车辆的发动机，再到开车经过的桥梁，这些结构经常由于循环载荷而出现不可预测的故障，从而导致裂缝萌生并最终断裂。

金属材料在使用过程中容易出现裂纹，这是因为金属受到外部力量或长期疲劳损伤导致的局部损伤。虽然金属材料通常具有一定的延展性和韧性，但过大的外部力量或长期使用会导致裂纹的出现。疲劳裂纹是由于金属材料在循环载荷下的微观组织和晶界疲劳损伤导致的，其产生和扩展需要经历一个漫长的过程。

一旦疲劳裂纹扩展到一定程度，就会导致材料失效，因此局部应力和晶界迁移是裂纹迁移中重要因素。金属材料的力学性能、微观组织和外界环境等因素都会影响裂纹的产生和扩展。

为确保金属材料的使用寿命和安全性，需要及时检测和修复裂纹和疲劳。

美国桑迪亚国家实验室和美国德克萨斯A&M大学材料科学与工程系的Michael J. Demkowicz和Brad L. Boyce团队发现，纯金属在产生疲劳裂纹后，可以通过自我修复进行愈合。他们观察到纳米级疲劳裂纹的早期进展，发现裂纹可通过侧面冷焊愈合，前提是结构材料疲劳寿命的最基本理论得到正确设计和评估。这项重要的工作已在Nature上发表，标题为“Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding”，进一步揭示了疲劳在各种服务环境中的影响。

原文：

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

1、模拟结果显示，尽管边界迁移可以促进裂纹愈合，但由于应力不均匀，在其他粗晶粒金属中也存在类似现象。

2、我们开发了一种新的分析模型来探讨裂纹愈合对裂纹扩展的影响，发现裂纹愈合在两个方面具有独特性：首先，在无氧环境下，裂纹愈合可以增加ΔKth；其次，低于ΔKth的负裂纹扩展速率也是可能的。这些发现对于理解涉及材料疲劳和断裂的应用具有重要的意义。

在这个领域，抗疲劳冶金的微观结构特征可以在疲劳过程中防止裂纹的形成，并且带来裂纹的自动愈合效果。通过透射电子显微镜（TEM）拉伸高周疲劳的实验，我们发现裂纹的附近出现了纳米级别的Pt愈合物，这是由于裂纹处的三重点结构（TJ）被捕获并沿着不同的裂纹路径愈合。在愈合过程中，远场循环应力保持拉伸，这也促进了焊接过程。原子级和连续级建模的结果表明，不均匀的局部应力和裂纹尖端附近晶界的逐渐迁移是导致这一行为的原因。这项研究的结果对于理解疲劳响应和抗疲劳材料的设计具有重要意义，因为在纳米级别上，纯金属材料偶尔也可以实现自动愈合

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