導讀：當反覆加載時，金屬會發生疲勞，當裂紋形成並在材料中傳播時，最終會導致失效。本文在金屬鎳中研究了這一過程的起源，利用高分辨觀察追蹤了位錯是如何在裂紋形成之前演變成被稱為持續滑移帶的微觀結構特徵的。研究發現位錯纏結並演化為更有規律的間隔模式是形成持續滑移帶的基礎，目前的見解提供了一種途徑，將微米級的變形機制與發生在金屬宏觀尺度上的疲勞失效聯繫起來。
金屬是許多結構應用的首選材料，因為它們能在強度和塑性之間提供良好的平衡。在施加循環載荷的應用中，疲勞破壞困擾著所有的金屬，因此減輕疲勞是非常重要的。在延性金屬中，疲勞裂紋的萌生是很小的，儘管許多學者已經致力於研究裂紋增長，但從無裂紋金屬到有裂紋的轉變仍然是金屬疲勞研究的重大挑戰之一。
韌性金屬微裂紋的成核是位錯在循環加載過程中往復運動的結果，使位錯自生長成長程有序結構。位錯是由晶體材料中原子排列的不規則引起的，其運動會導致塑性變形。階梯位錯結構（通常稱為持續滑移帶(PSBs)）可能是疲勞裂紋萌生過程中最重要的缺陷結構。PSBs的形式是有規則的間隔，由位錯-位錯偶極子組成的密集壁將其分隔成類似階梯的結構。
美國約翰·霍普金斯大學Steven Lavenstein教授團隊在微米級Ni單晶體中（一種典型的面心立方晶體）設計了一種高頻微疲勞實驗，在非常有限的材料體積中複製PSB形成的必要條件，對PSBs進行原位觀察和表徵。作者發現PSBs在微晶體積內局部成核，然後逐漸傳播，直到它們跨越整個滑動區域。與塊狀相比，要使微晶中的PSB成核，需要相對較大的循環次數（> 10^6），並且相應地，在微米尺度上表現出極高的疲勞壽命。PSB表面滑移痕跡似乎在成型後立即具有固有的粗糙度。充分增殖後，PSB滑痕的粗糙度在進一步循環載荷下保持穩定。相關研究結果以題「The heterogeneity of persistent slip band nucleation and evolution in metals at the micrometer scale」於北京時間2020年10月9日發表在期刊Science上。
論文連結：DOI: 10.1126/science.abb2690
本文使用原位微疲勞實驗來研究PSB的形成和演化機制，發現PSB在微米級普遍存在。在這種規模上的位錯累積速率小於散裝樣品中的位錯累積速率，這會延遲PSB成核。與大尺度相比，需要相對大量的循環(>10^6)才能在微晶中成核，相應地，極端疲勞壽命在微米尺度下表現出來。在這些觀察的基礎上，本文提出了微米尺度的PSB成核模型，並開發了一個依賴於尺寸的概率模型來預測PSB和隨後的裂紋引發所需的循環次數。 圖1 Ni高頻微探針實驗結果(A到O) 在6.3×10^3的剪切應變振幅下循環加載的Ni微晶邊緣面上表面形態演變的SEM照片。微晶的橫截面為矩形，尺寸為12μm到10 μm，長度為26毫米。(P)測試後顯示邊緣和螺旋平面的表面形態的二維視圖。(Q) 邊緣平面上四個分析的PSB表面滑移標記的動態剛度和總面積與加載循環次數的關係。在這些顯微照片中，侵入用微晶表面的黑暗區域區分。 圖2 從Ni微晶中平行於螺旋平面提取的位錯結構，以1.1×10^3的剪切應變振幅循環加載10^4周，然後以6.9×10^3的剪切應變振幅循環加載1.45×10^7周。(A) 一個大的PSB是由一組多個PSB一起聚集而成的。b箭頭表示Burgers矢量。(B) (A)中虛線框的放大圖，顯示了沿PSB矩陣界面一側具有裂紋狀開口的PSB。
圖3 Ni微晶在4.2×10^3的剪切應變振幅下循環加載6.43×106次的SEM和TEM照片。(A) 掃描電鏡顯微照片顯示螺杆平面上的表面形態。(B到F) 在不同位置平行於螺旋平面的橫截面FIB剝離箔的位錯結構的TEM照片。
圖4 在6.3×10^3的剪切應變振幅下循環加載的Ni微晶的不同PSB表面滑移標記的傳播輪廓。PSB表面滑移標記在自由表面以相對平坦的輪廓延伸時的寬度稱為初始寬度。
微米尺度的PSB成核模型示意圖如圖5所示:(i) 在最初的幾個加載循環中，平行平面上最弱的已有位錯源將被激活，該位錯源具有最高的分解剪應力。自由表面附近的位錯將脫離微晶，產生直線所示的表面臺階。(ii)在進一步的循環加載後，由於晶體中位錯的往復運動，在主滑移面上形成位錯纏結。這些位錯也與次級位錯糾纏在一起(未圖示)。(iii)在臨界數量的循環之後，位錯纏結脫離，形成初級邊緣偶極子。(iv)由於螺旋位錯的往復滑動，偶極子聚集成梯形結構，構成PSB核。(v)隨著周圍基質的位錯解開並成為PSB階梯結構的一部分，PSB核變寬和變長。這個PSB核的出口在Burgers矢量的方向上以表面標記的形式出現。(vi)傳播繼續進行，直到PSB佔據整個滑動區域，從而產生更加明顯和穩定的表面標記。(B) 在8個循環(左側)和8.5×10^6個循環(右側)後，以6.3×10^3的剪切應變振幅循環加載的Ni微晶表面形態的高對比度SEM照片。 圖5 位錯微觀結構和表面滑移痕跡的演變。 圖6 PSB成核的概率模型。實線顯示的是單晶中第一次PSB成核事件的預期循環數與晶體尺寸的關係，如公式1所示，λ0=10^3。陰影區域是90%的置信區間。本研究中數據的解析剪切應變振幅範圍為3.5×10^3至6.3×10^3。報導了Ni單晶在飽和開始時的整體數據
另外，儘管這裡給出的結果集中在純Ni上，但所確定的基本機制對許多材料系統來說是共同的。因此，目前的見解提供了一種途徑， 將微米級的變形機制與發生在金屬宏觀尺度上的疲勞失效聯繫起來。
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