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(zhǎng)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(kuò)展通常需要經(jīng)歷一個(gè)很長(zhǎng)的過程，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，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(shí)，應(yīng)力會(huì)集中在裂紋尖端，導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展。而晶界遷移是指在晶體結(jié)構(gòu)中，因?yàn)樵�子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(lái)說(shuō)，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(kuò)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(duì)于保證金屬材料的使用壽命和安全性，需要對(duì)裂紋和疲勞進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)和修復(fù)。

                                                                                                          二、【成果掠影】

       金屬的疲勞涉及在重復(fù)機(jī)械載荷下通過裂紋的增量擴(kuò)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(jì)的實(shí)施。在傳統(tǒng)的抗疲勞冶金設(shè)計(jì)中，開發(fā)微結(jié)構(gòu)以阻止或減緩裂紋的發(fā)展。裂紋擴(kuò)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(jī)制和損傷逆轉(zhuǎn)的替代方案。本篇報(bào)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(jí)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(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)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(tuán)隊(duì)，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(jì)和評(píng)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(xiàng)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(diǎn)】

       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?zèng)]有遷移邊界。

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

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

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

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

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

                                                                                                       五、【成果啟示】

         在這項(xiàng)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(gè)明顯的冷焊過程中恢復(fù)增長(zhǎng)之前，沿著不同的裂紋路徑。愈合發(fā)生時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)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(jí)和連續(xù)級(jí)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(jí)自行愈合，這對(duì)解釋疲勞響應(yīng)和抗疲勞材料的設(shè)計(jì)具有重要意義。