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疲勞通常指反復施加循環(huán)載荷(遠小于材料的屈服應力極限)而引起的一種材料弱化過程。實際服役過程中約90%金屬構件的失效均由疲勞斷裂引起，其原因是材料在循環(huán)加載過程中微觀結構不斷變化、遭受嚴重且不可逆轉的累積損傷，從而導致材料循環(huán)硬化或軟化直至最終失效。金屬材料的非穩(wěn)定循環(huán)響應及疲勞壽命強烈依賴于其疲勞歷史，實際復雜循環(huán)載荷服役條件下金屬構件的疲勞失效和壽命預測更加困難。因此，抗疲勞損傷材料發(fā)展的重大瓶頸問題就是如何減小或抑制循環(huán)變形過程中微觀結構局域化和不可逆損傷。

最近，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯(lián)合)實驗室盧磊研究員研究組和美國布朗大學高華健教授研究組合作在這一領域取得了突破性進展。他們發(fā)現(xiàn)具有晶體學對稱結構的納米孿晶金屬不但具有循環(huán)穩(wěn)定響應而且疲勞累計損傷非常有限。這種具有獨特的穩(wěn)定循環(huán)響應特征和有限累計損傷的納米結構為發(fā)展抗疲勞損傷的高性能工程金屬材料提供了新思路。該成果發(fā)表在《Nature》（2017年10月30日在線）。

研究人員利用直流電解沉積技術成功制備了塊體擇優(yōu)取向納米孿晶純銅樣品。通過傳統(tǒng)拉-壓變幅應變控制疲勞實驗研究了該樣品的相關循環(huán)應力響應, 發(fā)現(xiàn)在恒定應變幅下，其應力響應迅速穩(wěn)定（既不硬化也不軟化）；尤為重要的是，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-應變響應完全可逆，即當應變幅恒定時，應力和應變具有一一對應關系，且循環(huán)滯后環(huán)完全重合（圖1）。

圖1. 納米孿晶Cu與歷史無關的穩(wěn)定循環(huán)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(huán)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(huán)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(huán)。應變幅恒定時，應力和應變具有一一對應關系，循環(huán)滯后環(huán)完全重合。

該結果表明經過上萬次循環(huán)加載變形之后，納米孿晶金屬的塑性變形是可逆的且沒有累積損傷，表現(xiàn)出一種獨特的與歷史無關的穩(wěn)定循環(huán)響應特征。微觀結構分析與大規(guī)模分子動力學計算模擬發(fā)現(xiàn)循環(huán)載荷作用下，納米孿晶結構中僅有單滑移位錯啟動，并在納米尺度孿晶間形成大量超級穩(wěn)定、相互平行的高度關聯(lián)項鏈狀位錯（圖2）。

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(lián)項鏈狀位錯及穩(wěn)定孿晶界面。

這種關聯(lián)項鏈狀位錯結構往復可逆運動承擔塑性變形，但相互之間并無交互作用，既不破壞納米孿晶結構的穩(wěn)定性也不造成累積損傷。納米孿晶金屬與歷史無關的穩(wěn)定循環(huán)響應特征與傳統(tǒng)單晶、粗晶和納米晶體金屬具有的結構非穩(wěn)定化和嚴重損傷累積的循環(huán)變形行為截然不同。

該研究獲得科技部國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金委國際合作重點項目、中國科學院前沿科學重點研究等項目資助。