Nature：金属疲劳，自修复！

特别说明： 本文由学研汇技术 中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨 彤心未泯 （学研汇 技术中心）

编辑丨 风云

研究背景

金属疲劳涉及在重复机械载荷下裂纹逐渐扩展而逐渐失效。在结构应用中，疲劳占使用中故障的90%。金属结构合金经过数十年的冶金演变而细化，以抵抗变形、开裂和失效。增韧机制，如裂纹偏转、分支和桥联，是广泛使用的耗散机械能的策略。疲劳的预防依赖于大量安全因素的实施和低效的过度设计。

关键问题

然而，金属抗疲劳研究仍存在以下问题：

1、合金的损伤修复相关研究较为贫乏

虽然对金属的增韧机制进行了很多研究，但在设计能够修复损伤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潜在愈合机制和损伤逆转的替代方案。

2、尚未实现不加热条件下的金属自愈

大多数金属的自愈方法使用外在热源和潜在的可激活成分来修复损伤，但其内在的微观结构特征也可以在不加热至高于环境温度的情况下修复损伤。

3、自修复有可能影响金属结构进而造成延迟的灾难性失效

自修复有可能影响金属的许多结构应用，特别是循环载荷下的疲劳失效，即使有大量的经验数据，延迟的灾难性失效也很难预测

新思路

有鉴于此， 美国桑迪亚国家实验室Brad L. Boyce 等人报告 纯金属中的疲劳裂纹可以进行内在的自修复 。zuozhe直接观察纳米级疲劳裂纹的早期进展，正如预期的那样，裂纹在局部微观结构障碍处前进、缺陷和停滞。然而，作者还观察到裂纹通过可描述为由局部应力状态和晶界迁移的组合引起的裂纹扇形冷焊的过程来愈合。疲劳裂纹可以通过与微结构特征的局部相互作用在金属中自主愈合的前提，对工程师如何设计和评估结构材料中的疲劳寿命提出了最基本的理论挑战。此外，作者还讨论了在各种应用环境中对疲劳的影响。

         

技术方案：

1、观察了纳米晶Pt箔裂纹的萌生与扩展

作者在40 nm厚的纳米晶Pt箔中观察到高周疲劳裂纹的萌生和扩展，证实了室温下的自主疲劳裂纹愈合。

2、解析了裂纹愈合机制

作者通过原子模型探究了裂纹愈合机制，表明GB ₃₄ 的迁移产生了局部内应力，用于闭合裂纹尖端附近的裂纹面。裂纹愈合需要TJ处产生不均匀应力，GB ₃₄ 迁移促进愈合。

3、证实了冷焊自愈机制具有普适性

作者在Pt的重复实验中，成功观察到裂纹的自愈过程，通过原子模拟也证实了其他金属的裂纹愈合。

技术优势：

1、解析了金属微观结构与裂纹自愈的构效关系

在本工作中，作者通过研究表明内在的微观结构特征不仅可以阻止疲劳裂纹，还可以导致裂纹愈合。

2、实现了金属通过冷焊进行自我修复

作者观察到裂纹通过可描述为由局部应力状态和晶界迁移的组合引起的裂纹扇形冷焊的过程来愈合，原子级和连续体级模拟表明，裂纹尖端附近的不均匀局部应力和晶界的渐进迁移促进了自愈行为。

技术细节

裂纹的萌生与扩展

在40 nm厚的纳米晶Pt箔中观察到高周疲劳裂纹的萌生和扩展。作者观察到644000至684000次循环之间的自主疲劳裂纹愈合。在这个循环加载阶段，裂纹部分愈合，导致裂纹长度减少18 nm。这种自主裂纹愈合与公认的裂纹闭合不同，因为没有证据表明裂纹在持续加载时重新打开。此外，经过 116000 个额外循环后，裂纹随后开始向新方向生长，表明之前的裂纹确实已经愈合。伴随着裂纹愈合，微观结构发生了显着的演变，包括孪晶界明显迁移 1-2 纳米。这些晶界迁移和裂纹愈合的观察发生在接近室温的情况下。

图  记录裂纹扩展、愈合和再生关键阶段的静态图像

图  从动态视频中详细观察愈合过程

裂纹愈合机制

为了探索裂纹愈合的潜在机制，作者在原子模型中复制了实验观察到的裂纹尖端附近的晶粒结构。结果表明愈合过程是机械性的而不是扩散性的。在裂纹愈合的同时，晶界在裂纹尖端附近迁移了大约2.3   Å，这一效应与实验观察到的 GB ₃₄ 在裂纹愈合过程中的演化在质量上是一致的。模型演示表明裂纹愈合需要裂纹与所施加的载荷和TJ的相互作用。连续体模型表明，GB ₃₄ 的迁移产生了局部内应力，用于闭合裂纹尖端附近的裂纹面。因此，裂纹愈合需要TJ处产生不均匀应力，GB ₃₄ 迁移促进愈合。

图  原子模型确认边界迁移、裂纹侧面接触和愈合

自愈机制普适性研究

模拟表明，在局部晶界迁移产生的内应力的影响下，裂纹面通过闭合和冷焊而发生裂纹愈合。作者表明，即使在外部拉伸载荷作用下，这些应力也可以导致裂纹愈合。在Pt的重复实验中，在三个成功的原位裂纹扩展实验中的两个中观察到愈合。这种现象也不是Pt特有的。其他原子模拟也证实了其他金属的裂纹愈合。

展望

总之， 本文的结果挑战了人们普遍认为的疲劳裂纹会扩展但永远不会愈合的观点 。虽然目前的观察结果特定于纳米晶金属的原位TEM研究，但所报道的机制可能对材料对循环载荷的响应具有更广泛的宏观影响。

参考文献：

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

同步辐射丨球差电镜丨FIB-TEM

原位XPS、原位XRD、原位Raman、原位FTIR

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