一、金屬e揭導(dǎo)讀

循環(huán)疲勞是材料材料工程系統(tǒng)中許多災(zāi)難性故障的根本原因，著名的露疲勞強(qiáng)例子包括飛機(jī)、人造心臟瓣膜、物理假肢設(shè)備、起源電子封裝、金屬e揭鐵路、材料材料橋梁、露疲勞強(qiáng)海上平臺(tái)以及常規(guī)和核電站。物理由循環(huán)加載引起的起源金屬材料的弱化最終導(dǎo)致應(yīng)力作用下的斷裂，通常大大低于在單向加載下引起斷裂的金屬e揭應(yīng)力。這樣的材料材料故障通常發(fā)生在數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億次循環(huán)之后，使預(yù)測(cè)故障何時(shí)發(fā)生復(fù)雜化。露疲勞強(qiáng)

設(shè)計(jì)安全關(guān)鍵元件，物理使其能夠超過(guò)臨界循環(huán)次數(shù)，起源需要了解材料在所需循環(huán)次數(shù)下的疲勞強(qiáng)度。疲勞壽命的變化可能歸因于材料加工或組件制造過(guò)程中引入的罕見(jiàn)缺陷的存在，或者如果這些缺陷不存在，來(lái)自材料本身的固有特征。在高或非常高的循環(huán)疲勞狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度與金屬材料的固有力學(xué)性能之間的相關(guān)性，包括屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和硬度，已經(jīng)在文獻(xiàn)中得到了廣泛的報(bào)道。疲勞強(qiáng)度隨著屈服強(qiáng)度或極限抗拉強(qiáng)度的增加而增加。隨著外加應(yīng)力的增加，金屬材料會(huì)發(fā)生不可逆的變形，表現(xiàn)為局部滑移事件，反復(fù)循環(huán)導(dǎo)致疲勞失效。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，理清了金屬材料疲勞強(qiáng)度的起源問(wèn)題。

二、成果掠影

近日，來(lái)自美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的J. C. Stinville等研究員通過(guò)考慮在循環(huán)的早期階段，大量單個(gè)材料在納米分辨率上的循環(huán)變形過(guò)程，識(shí)別了大量面心立方、六邊形密排和體心立方金屬材料的疲勞強(qiáng)度的物理來(lái)源。確定了屈服強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度之間的定量關(guān)系，以及早期滑移定位事件的物理特征。對(duì)于滑移變形的合金，其疲勞強(qiáng)度可以通過(guò)第一個(gè)加載周期的滑移局部化振幅來(lái)預(yù)測(cè)。本文的觀察結(jié)果為眾所周知的經(jīng)驗(yàn)疲勞定律提供了物理基礎(chǔ)，并使一種通過(guò)測(cè)量滑移局部振幅來(lái)預(yù)測(cè)疲勞強(qiáng)度的快速方法成為可能。相關(guān)成果以“On the origins of fatigue strength in crystalline metallic materials”為題發(fā)表在國(guó)際綜合頂級(jí)期刊Science期刊上。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0392

三、核心創(chuàng)新點(diǎn)

(1) 確定了屈服強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和早期滑移局部化物理特性之間的定量關(guān)系;

(2) 為經(jīng)驗(yàn)疲勞定律提供了物理基礎(chǔ)，使快速預(yù)測(cè)疲勞強(qiáng)度的方法成為可能;

四、數(shù)據(jù)概覽

圖1拉伸性能與疲勞強(qiáng)度的關(guān)系；σ_Y為屈服強(qiáng)度，σ_U為極限抗拉強(qiáng)度。疲勞強(qiáng)度σ_l為屈服強(qiáng)度(點(diǎn))和抗拉強(qiáng)度(圓)的百分比。疲勞試驗(yàn)采用VHCF(頻率為20 kHz，室溫拉伸壓縮循環(huán)至109次，R = σ_min/σ_max=?1.0)[鋼、鈦合金、高溫合金、高熵合金(fcc) CrMnFeCoNi、Cu、Ni、Ta和Nb合金]。疲勞數(shù)據(jù)僅限于因滑移而變形的材料，并且外部缺陷(例如，夾雜物或氣孔)含量極低的材料 ?2022 AAAS

圖2表面滑移的定量測(cè)量；(A)左:掃描電鏡下HR-DIC測(cè)量得到的常規(guī)應(yīng)變場(chǎng)。右:不連續(xù)的Heaviside-DIC方法提供了在變形過(guò)程中試樣表面發(fā)展的每個(gè)單滑動(dòng)事件的定量測(cè)量。本文報(bào)道了沿滑移事件所引起的納米級(jí)位移；(B)鎳基高溫合金和純鈮多晶材料單向加載引起的表面滑移局部化。(C)多晶金屬在準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率單向變形時(shí)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(D)在0.2%的宏觀塑性應(yīng)變下，平均和5%的最高最大滑移強(qiáng)度與金屬屈服強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系。每個(gè)單滑移事件的最大滑移強(qiáng)度由滑移事件歸一化處理，以捕捉晶粒尺寸的影響。(E)研究滑移可逆性的反向加載。(F和G)鎳基高溫合金中在反向加載時(shí)顯示完全和部分可逆性的區(qū)域。通過(guò)HR-DIC得到位移場(chǎng)的三維表示 ?2022 AAAS

圖3 疲勞強(qiáng)度作為滑移幅值的函數(shù)；采用VHCF加載法測(cè)定了不同金屬材料的疲勞強(qiáng)度σ_l。由滑移引起的局部化振幅在單向加載0.2%應(yīng)變時(shí)與接近于零的疲勞強(qiáng)度(拉伸)比進(jìn)行比較，或再完全反向加載后，與-1的疲勞強(qiáng)度(拉伸-壓縮)進(jìn)行比較。點(diǎn)是根據(jù)屈服強(qiáng)度的顏色編碼 ?2022 AAAS

圖4 金屬材料的疲勞強(qiáng)度和滑移局部化幅值的測(cè)量；(A)沉淀強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化鎳基高溫合金Inconel 718的疲勞曲線，在VHCF體系中以-1的比率進(jìn)行測(cè)試。最大應(yīng)力顯示為MPa(左)和屈服強(qiáng)度的百分比(右)。(B)完全反向加載下沉淀強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化Inconel 718的相關(guān)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(C) 拉伸部分(黑色)和完全反向加載(紅色)后通過(guò)沉淀加強(qiáng)的Inconel 718合金的最高滑移強(qiáng)度分布。負(fù)值表示相反的滑移事件;正值與擠壓方向有關(guān)。對(duì)壓縮后分布的水平軸(計(jì)數(shù)) 進(jìn)行了調(diào)整，以便更好地進(jìn)行比較。(D)與(C)采用固溶體強(qiáng)化的Inconel 718相同 ?2022 AAAS

圖5 體心立方金屬的疲勞和局部化；(A)各種金屬的疲勞強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度成正比。在VHCF狀態(tài)[鋼;Ti合金;高溫合金;高熵合金(fcc) CrMnFeCoNi;Cu, Ni, Ta和Nb合金]和高周疲勞狀態(tài)[Mo, W, Ta, Nb, Fe和Co合金;HfNbTaTiZr合金;鋼;鋁;鎂；(B) 各種金屬的平均和最高5%的最大滑移強(qiáng)度作為金屬屈服強(qiáng)度的函數(shù)。每個(gè)單滑移事件的最大滑移強(qiáng)度經(jīng)過(guò)滑移事件歸一化處理，以得到晶粒尺寸的影響 ?2022 AAAS

五、成果啟示

金屬材料的疲勞循環(huán)變形已經(jīng)導(dǎo)致了成千上萬(wàn)的失效或者事故。有機(jī)的將疲勞強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)定量聯(lián)系是非常困難的。本研究通過(guò)拉伸力學(xué)性能建立預(yù)測(cè)疲勞性能的物理模型，為輕松預(yù)測(cè)疲勞強(qiáng)度鋪平道路。