Nature：疲劳裂纹通过冷焊的自主愈合

一、【导读】

        金属裂纹是在金属材料使用过程中出现的一种裂纹，它是金属材料受到外部力量作用或疲劳破坏等因素导致的局部损伤。金属材料通常都具有一定的延展性和韧性，但在受到过大的外部力量或长期服役后，金属材料就容易出现裂纹。

        疲劳裂纹是金属材料在反复加载和卸载的循环载荷下产生的裂纹，主要是由于金属材料的微观组织和晶界的疲劳损伤导致的。疲劳裂纹的产生和扩展通常需要经历一个很长的过程，当疲劳裂纹扩展到一定程度时，就可能引发金属材料的失效。局部应力与晶界迁移是金属材料中裂纹的迁移过程中的重要因素。当金属材料受到外部应力作用时，应力会集中在裂纹尖端，导致裂纹的扩展。而晶界迁移是指在晶体结构中，因为原子的扩散运动而导致晶体的重新排列，从而使材料发生变形和裂纹的迁移。

        总的来说，金属裂纹和疲劳裂纹都是金属材料中常见的一种损伤形式，它们的产生和扩展与金属材料的力学性能、材料的微观组织以及外界环境等因素有关。对于保证金属材料的使用寿命和安全性，需要对裂纹和疲劳进行及时的检测和修复。

二、【成果掠影】

        金属的疲劳涉及在重复机械载荷下通过裂纹的增量扩展而逐渐失效。在结构应用中，疲劳占使用中故障的90%。疲劳的预防依赖于大的安全系数和低效的过度设计的实施。在传统的抗疲劳冶金设计中，开发微结构以阻止或减缓裂纹的发展。裂纹扩展被认为是不可逆的。相比之下，在其他材料类别中，基于潜在愈合机制和损伤逆转的替代方案。本篇报道是纯金属在产生疲劳裂纹，可以进行内在的自我修复。直接观察到纳米级疲劳裂纹的早期进展，正如预期的那样，裂纹前进，偏转和捕捉在锚定的微观结构障碍。在这里，美国新墨西哥州阿尔伯克基市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与 Brad L. Boyce团队，探讨了裂纹通过可被描述为由局部应力状态和晶界迀移的组合引起的裂纹侧面冷焊的过程愈合。疲劳裂纹可以通过与微观结构特征的局部相互作用在金属中自主愈合，前提是工程师如何设计和评估结构材料疲劳寿命的最基本理论。并且还讨论在各种服务环境中的疲劳的影响。该项工作以标题为：“Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding”，发表在Nature上。

三、【核心创新点】

1. 模拟表明，虽然边界迁移可以促进裂纹愈合，根本上由于不均匀的应力，这也出现在其他粗晶粒金属没有迁移边界。
2. 开发了愈合对裂纹扩展影响的分析模型。裂纹愈合在两个方面是独特的：（1）它预测在没有氧化的情况下增加的ΔKth，和（2）它预测低于ΔKth的负裂纹扩展速率的可能性。

四、【数据概览】

图1. 记录裂纹扩展、愈合和再生长关键阶段的静态图像。©2023 Nature

图2. 从动态视频中拍摄的愈合过程的详细观察。©2023 Nature

图3. 一个原子模型证实边界迁移，裂纹侧面接触和愈合。©2023 Nature

五、【成果启示】

        在这项工作中，抗疲劳冶金内在的微观结构特征不仅阻止疲劳裂纹，而且可以导致裂纹愈合。在透射电子显微镜（TEM）拉伸高周疲劳下，观察到的疲劳裂纹的自主愈合的纳米Pt。裂纹附近的三重结（TJ）被捕，随后愈合的一个明显的冷焊过程中恢复增长之前，沿着不同的裂纹路径。愈合发生时，远场循环应力保持拉伸，没有施加压缩，以促进焊接过程。原子级和连续级模拟表明，不均匀的局部应力和裂纹尖端附近晶界的逐渐迁移促进了这种违反直觉的行为。纯金属偶尔可以在纳米级自行愈合，这对解释疲劳响应和抗疲劳材料的设计具有重要意义。

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