一、【導(dǎo)讀】  

      金屬裂紋是在金屬材料使用過程中出現(xiàn)的一種裂紋，它是金屬材料受到外部力量作用或疲勞破壞等因素導(dǎo)致的局部損傷。金屬材料通常都具有一定的延展性和韌性，但在受到過大的外部力量或長期服役后，金屬材料就容易出現(xiàn)裂紋。

疲勞裂紋是金屬材料在反復(fù)加載和卸載的循環(huán)載荷下產(chǎn)生的裂紋，主要是由于金屬材料的微觀組織和晶界的疲勞損傷導(dǎo)致的。疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展通常需要經(jīng)歷一個很長的過程，當(dāng)疲勞裂紋擴展到一定程度時，就可能引發(fā)金屬材料的失效。局部應(yīng)力與晶界遷移是金屬材料中裂紋的遷移過程中的重要因素。當(dāng)金屬材料受到外部應(yīng)力作用時，應(yīng)力會集中在裂紋尖端，導(dǎo)致裂紋的擴展。而晶界遷移是指在晶體結(jié)構(gòu)中，因為原子的擴散運動而導(dǎo)致晶體的重新排列，從而使材料發(fā)生變形和裂紋的遷移。

總的來說，金屬裂紋和疲勞裂紋都是金屬材料中常見的一種損傷形式，它們的產(chǎn)生和擴展與金屬材料的力學(xué)性能、材料的微觀組織以及外界環(huán)境等因素有關(guān)。對于保證金屬材料的使用壽命和安全性，需要對裂紋和疲勞進(jìn)行及時的檢測和修復(fù)。

                                                                                                          二、【成果掠影】

       金屬的疲勞涉及在重復(fù)機械載荷下通過裂紋的增量擴展而逐漸失效。在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，疲勞占使用中故障的90%。疲勞的預(yù)防依賴于大的安全系數(shù)和低效的過度設(shè)計的實施。在傳統(tǒng)的抗疲勞冶金設(shè)計中，開發(fā)微結(jié)構(gòu)以阻止或減緩裂紋的發(fā)展。裂紋擴展被認(rèn)為是不可逆的。相比之下，在其他材料類別中，基于潛在愈合機制和損傷逆轉(zhuǎn)的替代方案。本篇報道是純金屬在產(chǎn)生疲勞裂紋，可以進(jìn)行內(nèi)在的自我修復(fù)。直接觀察到納米級疲勞裂紋的早期進(jìn)展，正如預(yù)期的那樣，裂紋前進(jìn)，偏轉(zhuǎn)和捕捉在錨定的微觀結(jié)構(gòu)障礙。在這里，美國桑迪亞國家實驗室和美國德克薩斯A&M大學(xué)材料科學(xué)與工程系的Michael J. Demkowicz與 Brad L. Boyce團隊，探討了裂紋通過可被描述為由局部應(yīng)力狀態(tài)和晶界迀移的組合引起的裂紋側(cè)面冷焊的過程愈合。疲勞裂紋可以通過與微觀結(jié)構(gòu)特征的局部相互作用在金屬中自主愈合，前提是工程師如何設(shè)計和評估結(jié)構(gòu)材料疲勞壽命的最基本理論。并且還討論在各種服務(wù)環(huán)境中的疲勞的影響。該項工作以標(biāo)題為：“Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding”，發(fā)表在Nature上。

                                                                                                          三、【核心創(chuàng)新點】

       1、模擬表明，雖然邊界遷移可以促進(jìn)裂紋愈合，根本上由于不均勻的應(yīng)力，這也出現(xiàn)在其他粗晶粒金屬沒有遷移邊界。

       2、開發(fā)了愈合對裂紋擴展影響的分析模型。裂紋愈合在兩個方面是獨特的：（1）它預(yù)測在沒有氧化的情況下增加的ΔKth，和（2）它預(yù)測低于ΔKth的負(fù)裂紋擴展速率的可能性。

                                                                                                            四、【數(shù)據(jù)概覽】

圖1. 記錄裂紋擴展、愈合和再生長關(guān)鍵階段的靜態(tài)圖像。©2023 Nature

圖2. 從動態(tài)視頻中拍攝的愈合過程的詳細(xì)觀察。©2023 Nature

                                                 圖3. 一個原子模型證實邊界遷移，裂紋側(cè)面接觸和愈合。©2023 Nature

                                                                                                       五、【成果啟示】

         在這項工作中，抗疲勞冶金內(nèi)在的微觀結(jié)構(gòu)特征不僅阻止疲勞裂紋，而且可以導(dǎo)致裂紋愈合。在透射電子顯微鏡（TEM）拉伸高周疲勞下，觀察到的疲勞裂紋的自主愈合的納米Pt。裂紋附近的三重結(jié)（TJ）被捕，隨后愈合的一個明顯的冷焊過程中恢復(fù)增長之前，沿著不同的裂紋路徑。愈合發(fā)生時，遠(yuǎn)場循環(huán)應(yīng)力保持拉伸，沒有施加壓縮，以促進(jìn)焊接過程。原子級和連續(xù)級模擬表明，不均勻的局部應(yīng)力和裂紋尖端附近晶界的逐漸遷移促進(jìn)了這種違反直覺的行為。純金屬偶爾可以在納米級自行愈合，這對解釋疲勞響應(yīng)和抗疲勞材料的設(shè)計具有重要意義。