我國在納米孿晶Cu與低疲勞累積損傷研究領域取得新進展

　　在國家自然科學基金項目（項目編號：50725103，50890171，U1608257，51420105001，51471172）等資助下，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室盧磊研究員課題組和美國布朗大學高華健教授課題組合作研究，發現具有晶體學對稱結構的納米孿晶金屬的循環響應穩定，而且累積疲勞損傷非常有限。研究成果以“History-Independent Cyclic Response of Nanotwinned Metals”（納米孿晶金屬與歷史無關的穩定循環響應研究）為題，于2017年10月30日在線發表在Nature（《自然》）雜志上。

圖1. 納米孿晶Cu與歷史無關的穩定循環響應行為。在變幅疲勞實驗中, 具有不同孿晶片層和晶粒尺寸的兩類納米孿晶樣品隨塑性應變幅階梯式遞進增加時的循環響應曲線（圖a和d）和隨塑性應變幅階梯式遞進減小時的循環響應曲線（圖b和e）；圖c和f分別為兩類樣品在不同應變幅時的滯后環。應變幅恒定時，應力和應變具有一一對應關系，循環滯后環幾乎完全重合。

圖2. 分子動力學計算模擬疲勞試驗過程中納米孿晶片層內形成的高度關聯項鏈狀位錯及穩定孿晶界面。

　　據不完全統計，約90%金屬構件在實際服役過程中的失效均由疲勞斷裂引起。疲勞斷裂是材料在循環加載中微觀結構不斷遭受不可逆轉的累積損傷，從而導致材料硬化或軟化直至最終失效的過程。由于金屬材料的循環響應不穩定，以及疲勞壽命強烈依賴于其疲勞歷史，因此實際復雜循環載荷服役條件下金屬構件的疲勞失效研究和壽命預測十分困難。

　　盧磊研究員通過傳統拉-壓變幅應變控制疲勞實驗研究塊體擇優取向納米孿晶純銅樣品的循環應力響應特性，發現在恒定應變幅下，其應力響應迅速穩定（既不硬化也不軟化）；更為重要的是，當應變幅階梯式遞進增加以及隨后階梯式遞進減小時，該樣品的應力-應變響應一一對應，循環滯后環幾乎完全重合（圖1）。經過上萬次循環加載變形之后，納米孿晶金屬的塑性變形可逆且沒有累積損傷，表現出一種獨特的與歷史無關的穩定循環響應特征。通過微觀結構分析與大規模分子動力學計算模擬，發現循環載荷作用下，納米孿晶結構中僅有單滑移位錯啟動，在納米尺度孿晶間形成大量超級穩定、相互平行的高度關聯項鏈狀位錯（圖2）。該關聯項鏈狀位錯結構在往復可逆運動中承擔塑性變形，但相互之間并無交互作用，既不破壞納米孿晶結構的穩定性也不造成累積損傷。這種具有晶體學對稱結構納米孿晶金屬的循環響應特征與傳統單晶、粗晶和納米晶體金屬的循環變形行為截然不同，不但具有循環穩定響應而且疲勞累積損傷非常有限。這類具有獨特的穩定循環響應特征和有限累積損傷的納米結構為發展抗疲勞損傷的高性能金屬工程材料提供新思路。