金属材料，又一篇Science！

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2022-09-09

1842年，一辆往返于凡尔赛和巴黎之间的机车车轴突然折断，导致一场惨烈的事故。金属疲劳（材料因循环载荷而变弱和开裂）是此次事故的根本原因，这场悲剧引发了对此类材料失效的首次系统研究。

金属疲劳，世纪难题

几乎两个世纪后，金属疲劳仍然是一个持续困扰当今机械系统的关键问题。即使载荷没有引起任何宏观变形，疲劳也会导致失效。

反复弯曲金属回形针，直到它断裂，这是一个典型的金属疲劳案例。如果在回形针损坏前，仔细检查弯曲区域，会注意到其表面粗糙度发生变化。这是由位错运动引起，表面发生不可逆滑移局部化增加的表现。在负载下，金属会因位错（线性缺陷）的运动而变形，从而导致原子相互滑动。表面滑移局部位置是应力集中点，这些位置充当成核位点，裂纹会随着循环载荷逐渐增大并最终导致失效。

关键问题

虽然研究并预测金属的失效非常重要，但仍存在以下问题：

1、金属失效对材料中缺陷敏感，疲劳失效难以准确预测

金属疲劳对材料中最微小的缺陷也很敏感。因此，对疲劳失效的准确预测仍然难以捉摸。金属疲劳通常发生在数百万甚至数十亿次循环之后，使预测故障何时发生的能力变得复杂。

2、现有评估金属强度的方法昂贵且耗时

大多数现有的评估特定金属或合金强度的方法都涉及在不同的循环载荷条件下测试样品，以确定材料在给定的循环次数内可以承受的最高应力。这种经验方法既昂贵又耗时。

3、拉伸/屈服强度与疲劳强度相关的微观尺度的物理过程和参数尚未完全了解

将拉伸强度和屈服强度与疲劳强度联系起来的微观结构尺度的物理过程和参数尚未完全了解。此外，尚不清楚为什么具有高抗拉强度的金属和合金具有如此低的疲劳效率，缺少金属材料通用的模型参数。

新思路：材料寿命，提前预测

有鉴于此，美国伊利诺伊大学J. C. Stinville等人通过在循环的最初阶段考虑大量单个材料的纳米分辨率的循环变形过程，识别出大量面心立方、六方密排和体心立方金属材料的疲劳强度的物理起源。确定了屈服强度与极限抗拉强度、疲劳强度和早期滑动定位事件的物理特性之间的定量关系。通过滑动变形的金属合金的疲劳强度可以通过在第一个加载循环期间滑动局部化的幅度来预测。该观察为众所周知的经验疲劳定律提供了物理基础，并能够通过测量滑动定位幅度来快速预测疲劳强度。

技术方案

1、进行了滑动定位的定量和统计分析

作者对不同晶体结构的金属进行了滑移分析，解析了不可逆的滑移是后来金属疲劳的成核位点，通过对数万种滑移事件的统计分析，揭示了局部滑动与金属疲劳之间的线性关系。

2、揭示了疲劳强度与滑移局部化的关系

作者通过10⁹次循环的超高周疲劳 (VHCF) 测试测量了几种材料的疲劳强度。发现了沉淀强化具有高屈服强度，固溶强化具有较低屈服强度，通过对大视场下滑动时间的测量统计，揭示了微观结构对滑动定位的影响，表明滑移局部化和裂纹成核之间的密切关系。

3、通过滑动定位预测疲劳强度

通过滑移幅度的定量评估将晶体结构和微观结构与机械性能联系起来，观察到在第一个循环期间发展的滑动局部化幅度与材料的疲劳强度之间存在线性关系，表明控制晶体学特性可以实现卓越的性能。

技术优势

1、推导出了金属疲劳的规范性理论

通过系统地和实验性地测量与金属循环载荷相关的不同特性，作者推导出了金属疲劳的规范性理论，发现了第一次加载循环后的不可逆滑动定位与不同金属的疲劳强度之间的相关性。为该领域常用的经验定律增加了物理基础。

2、为预测金属的疲劳强度提供途径

作者发现的不可逆滑动定位与金属疲劳强度之间的相关性为通过对在早期加载循环中形成的定位事件进行定量和统计分析来预测金属的疲劳强度提供了一条途径。

3、实现了金属的滑动局部化与疲劳强度的定量相关

在研究了不同的金属合金之后，表明第一个加载循环后的滑移幅度与屈服强度和疲劳强度呈正线性相关。观察突出了这些早期滑动事件对整体疲劳强度的影响，为更准确、更有效地减轻损伤和预测疲劳寿命提供了机会。

4、发现影响金属疲劳强度的重要因素，解析了不同晶体结构金属疲劳寿命差异

作者观察到的相关性捕捉到了金属结构对滑移系统的影响，解释了不同晶体结构的金属之间疲劳寿命的差异。

5、完善了Basquin方程

Basquin疲劳定律是预测材料在重复应力下的寿命的标准经验方程，本工作提出的数据驱动分析，通过将金属的疲劳寿命与其屈服强度和滑动局部化强度联系起来，完善了Basquin方程的参数，推动了疲劳强度预测的前进。

技术细节

滑动定位的定量和代表性测量

作者研究了大量具有不同晶体结构和加工路径的多晶金属。在早期塑性状态下的单调和完全反向加载期间进行了高分辨率数字图像相关 (HR-DIC)测量，探究了与表面发生的离散滑动事件相关的位移。展示了单调加载期间镍基合金和纯铌的缩小视场的HR-DIC图，表明高度局部化的变形带是由位错组沿晶面的连续滑动发展而来的。将HR-DIC 测量与不连续性 Heaviside-DIC 方法相结合，定量测量每种材料大区域变形期间沿每个单独带的滑移强度。跟踪单调和循环变形过程中滑移强度的演变，发现了不可逆性滑移，表明挤压或侵入的发展成为后来裂纹成核位置。对超过 20000滑动事件的实验材料进行了统计分析，识别了每个滑动事件并沿其表面轨迹提取其最大强度，对最大值进行了归一化处理，以捕捉晶粒尺寸效应。获得了每种材料的归一化最大强度和滑移迹线间距的分布，发现了最大滑移强度分布的平均值显示出对屈服强度的线性依赖性。

疲劳强度与滑移局部化的关系

作者使用10⁹次循环的超高周疲劳 (VHCF) 测试测量了几种材料的疲劳强度。疲劳效率显示为在单个循环到 0.2 的最大塑性应变后的最大滑移幅度的函数。疲劳强度与在第一个疲劳循环后测量的滑动幅度的线性相关性是显而易见的。此外，这种关系捕获了加载条件(温度和应力比)、晶粒尺寸、晶体结构和屈服强度的影响，并通过在第一个循环中发生的滑移的物理特性，将单调特性与循环疲劳强度明确联系起来。

图  疲劳强度作为滑动幅度的函数

用于疲劳强度预测的滑动定位

研究单调和反向加载过程中的滑移活动和局部化幅度为快速评估材料及其沿不同加工路径发展的不同微观结构变体的疲劳强度和疲劳效率提供了机会。这种方法不仅为晶体结构和微观结构在确定疲劳强度中的作用提供了新的见解，还为合金和微观结构设计提供了指导。滑移幅度的进一步定量评估提供了将晶体结构和微观结构与机械性能联系起来的独特信息。与微观结构相关的滑移特性的统计测量指出了合金设计的不同路径和控制微观结构的加工路径，以最大限度地减少塑性的局部化，从而提高疲劳强度。

展望

在研究金属疲劳时增强统计和定量分析为利用机器学习的进步提高疲劳预测能力提供了可能。本工作的研究结果可以作为产品寿命估算的高效方法，可以更好地了解金属的物理性质，以便进行检查和风险评估。

参考文献：

【1】MOSTAFA M. OMAR, et al. Foreseeing metal failure from its inception. Science, 2022,377(6610):1047-1048.

DOI: 10.1126/science.add8259.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add8259

【2】J. C. STINVILLE, et al. On the origins of fatigue strength in crystalline metallic materials. Science, 2022, 377(6610):1065-1071.

DOI: 10.1126/science.abn0392.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0392