《Science》：金屬疲勞研究取得突破性進展

導讀：金屬的疲勞損傷表現為不可逆的位錯運動，隨後是裂紋的萌生和擴展。在循環加載過程中，金屬中會形成持久滑移帶，是表徵從無裂紋到有裂紋金屬轉變的最重要方面之一。本文使用原位微探針實驗來研究PSB的形成和演化機制，觀察追蹤了位錯是如何演變成PSB微觀結構特徵的，發現位錯纏結並演化為更有規律的間隔模式是形成PSB的基礎，需要改進金屬中的PSB模型和裂紋起始模型，以說明漸進和非均勻的演化。這些發現將微米級的變形機制與金屬體尺度的疲勞失效聯繫起來。

金屬是許多結構應用的首選材料，因其最佳折衷了強度和延展性之間的關係。對於施加循環載荷的應用，疲勞失效困擾所有金屬，因而減輕疲勞失效非常重要。在延性金屬中，疲勞裂紋是從小的、微觀結構的疲勞裂紋開始，隨著加載循環次數的增加而增加。儘管許多研究致力於裂紋生長，但表徵從無裂紋到有裂紋金屬的轉變仍然是金屬疲勞研究中最具挑戰性的問題。

韌性金屬中微裂紋的成核是循環加載過程中位錯往復運動的結果，導致位錯自組織成長程有序結構。位錯是晶體材料中原子排列不規則的結果，它們的運動會導致塑性變形。階梯位錯結構，通常被稱為持久滑移帶（PSBs），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，表現為有規則的間隔形式，可能是疲勞裂紋萌生方面最重要的缺陷結構。

近日，美國約翰·霍普金斯大學Steven Lavenstein教授課題組於頂級期刊《Science》中發表了題為「The heterogeneity of persistent slip band nucleation and evolution in metals at the micrometer scale」的論文，在微米級Ni單晶體中設計了一種高頻微疲勞實驗，在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。結果發現PSBs在微晶體積內局部成核，然後逐漸擴散，直至跨越整個滑移區。與塊狀尺度相比，需要相對大量的循環(> 106)才能在微晶中成核，相應地，在微米尺度表現出極端疲勞壽命。PSB表面滑動標記似乎在形成即刻具有固有的粗糙度；在充分增值之後，PSB滑動標記的粗糙度隨著進一步的循環載荷而保持穩定。

論文連結：

https://science.sciencemag.org/content/370/6513/eabb2690

文中提出了微米尺度的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，探索了循環加載過程中表面形貌的演變。結果顯示表面滑動標記的表面形貌由擠壓和侵入組成。此外，在邊緣平面上形成充分發展的滑帶標記之後，在螺旋平面上形成表面侵入，並且比在邊緣平面上觀察到的突然成核出現得更加緩慢。

TEM表徵底層位錯結構觀察顯示，這些位錯標記雖然不如在面心立方金屬的大規模疲勞研究中觀察到的那樣明確，但確實是PSBs，差異原因推測主要是晶體尺寸的影響。此外，還觀察到次級位錯纏繞長螺旋段，這在更好形成的光子晶體中沒有觀察到，說明PSB仍處於發展的早期階段。初級滑移系統上的螺旋位錯明顯也是這些纏結的關鍵組成部分，其與次級滑移系統上的位錯相互作用，在PSB壁上形成初級邊緣偶極子。

選定PSB表面滑移標記的增殖剖面是不均勻的，即是觀察到的典型的PSB表面滑動標記剖面，不均勻分布可能與微晶內部形成的不均勻位錯結構有關。深入研究其胚胎寬度，發現胚胎寬度的變化廣泛，表明PSB核可能在增殖到表面之前在晶體體積內的某個深度發展，而PSB傳播速度的變化可能與微晶中潛在位錯結構發展的不均勻性有關。

微米尺度的PSB成核模型經歷以下階段：最初的循環加載中，平面上具有最高的分解剪應力位錯源將被激活，表面附近的位錯將脫離微晶。之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，並與次級位錯糾纏在一起。循環到達臨界數量的後，位錯纏結脫離，形成初級邊緣偶極子，其由於螺旋位錯的往復滑動聚集成梯形結構，構成PSB核，之後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。增殖進行直到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。

綜上所述，文中漸進的演變為傳統PSB模型的改進提供了思路，該模型將擠壓成形理想化為一種快速生長過程。這對於無損損傷量化(即故障預測)和基於物理的建模團體很重要，因為模擬疲勞損傷的演變通常計算量太大，超過幾百個循環就無法執行。儘管本文的結果集中於純鎳上，但所確定的基本機理對許多金屬來說是共通的。因此，目前的見解提供了一種途徑，將微米級的變形機制與金屬體尺度的疲勞失效聯繫起來。