基本偏差垃圾焚烧炉筛孔当量圆柱齿轮副高周疲劳摇杆工具包导读：金属材料中的疲劳指的是在重复机械载荷下裂纹逐渐扩展导致渐进性破坏。在结构应用中，疲劳故障占到了90%左右。预防疲劳依赖于采用较大的安全系数和低效的过度设计。传统冶金设计中，为了提高抗疲劳能力，会通过开发特定的微观结构来阻止或减缓裂纹的扩展。通常认为裂纹的增长是不可逆的。然而，在其他材料类别中，存在一种潜在的自愈机制和损伤逆转。本文报告了纯金属中疲劳裂纹可以自主进行内在自修复的现象。我们直接观察了纳米级疲劳裂纹的早期扩展，并且如预期地，裂纹会在局部微观结构的阻碍下前进、偏转和停止扩展。然而，令人意外的是，我们还观察到裂纹可以通过裂纹侧面的冷焊过程进行自愈，这个过程由局部应力状态和晶界迁移的结合诱导。这一发现挑战了工程师在设计和评估结构材料的疲劳寿命时最基本的理论。我们还讨论了这对各种使用环境下疲劳问题的影响。

　　经过几十年的冶金演变，结构金属合金已经得到改进，以抵抗变形、裂纹和破坏。增强机制，如裂纹偏转、分支和桥接，广泛采用来分散机械能量。然而，在设计具有自修复性的合金方面的努力要少得多。最近的研究主要集中在聚合物和复合材料上，提出了设计自修复材料的策略。虽然大多数金属的自愈方法使用外部热源和可激活成分修复损伤，但令人着迷的是，内在的微观结构特征也可以在不超过环境温度的情况下修复损伤。自愈能力有可能对金属的许多结构应用产生影响，特别是在循环载荷下的疲劳故障，即使有大量经验数据也很难预测延迟的灾难性故障。

　　在这项研究中，我们展示了内在的微观结构特征不仅可以阻止疲劳裂纹，还可以导致裂纹的自愈。在透射电子显微镜（TEM）下的拉伸高周疲劳实验中观察到了纳米晶Pt的疲劳裂纹的自主愈合现象。裂纹在三重结(TJ)附近停止，然后通过明显的冷焊过程进行愈合，之后沿着不同的裂纹路径继续扩展。愈合发生在远场循环应力仍为拉伸状态下，没有施加压缩以促进焊接过程。原子级和连续体层次的模拟表明，在裂纹尖端附近的不均匀局部应力和晶界的渐进迁移有助于这种反直觉的行为。这些证据表明，纯金属在纳米尺度上可能偶尔自我修复，这对于解释疲劳响应和设计抗疲劳材料具有重要意义。

　　在40纳米厚的纳米晶Pt箔中观察到了高周疲劳裂纹的形成和扩展。在图1和图2所示的案例中，在TJ234处停止后，我们观察到在64.4万至68.4万个循环周期之间发生了自主疲劳裂纹的愈合。在这个循环加载段内，裂纹部分愈合，裂纹长度减小了18纳米（图2k）。裂纹的愈合事件发生在大约66.4万个循环周期时（图2f和补充视频1）。这个愈合过程似乎发生在远场拉伸应力为正的疲劳加载段中，并非静态卸载的周期之一。这种自主裂纹愈合与已经确立的裂纹闭合不同，因为没有证据表明在继续加载时裂纹重新打开（图2g-i）。此外，在另外116,000个循环周期后，裂纹随后开始沿着新的方向扩展（扩展数据图1），表明先前的裂纹确实愈合了。图像分析显示，伴随着裂纹愈合还发生了相当大的微观结构演变，包括双晶界（晶界34 (GB34)）的明显迁移约1-2纳米。这些关于晶界迁移和裂纹愈合的观察发生在接近室温的条件下，因为疲劳加载和电子束加热估计产生的温升可忽略不计，低于10K（补充说明1）。

　　为了探索这种裂纹愈合的潜在机制，德州农工大学Michael J. Demkowicz教授和桑迪亚国家实验室Brad L. Boyce教授团队在一个原子级模型中复制了实验观察到的裂纹尖端附近的晶体结构（图1c）。我们在G2晶粒的{111}面上插入了一条距离晶界1纳米的裂纹，并与实验观察到的表面痕迹一致。GB34的晶界平面垂直插入自由表面，与完美的{111}对齐相差6.2°。多晶金属中的相干孪晶界通常具有几度的偏差，不完全对齐。由于这种偏差，GB34包含一系列由Shockley部分孪晶位错分隔约4.5纳米的相干台阶。沿着这样的缺陷晶界的这些缺陷结构被认为会影响晶界的迁移性。这样的缺陷晶界在拉伸载荷下通过孪晶滑移进行剪切耦合迁移（扩展数据图2）。相关研究成果以题“Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding”发表在顶刊Nature上。

　　a、疲劳样品概述。b、c、通过基于透射电子显微镜的晶体取向映射揭示的凹口附近的局部显微结构（b）和凹口尖端的晶体取向图（c）；晶粒标记为G1-G4，晶界标记为GB34，三晶点标记为TJ234。d、裂纹在G1中起始。e、裂纹在GB12附近停止。f、裂纹偏转进入G2并在TJ234附近停止。g、裂纹尖端在G2中愈合。h、裂纹沿新方向重新生长。显示了疲劳循环数。橙色箭头表示裂纹尖端的位置，白色箭头表示关键显微结构特征的位置。比例尺，1,000 nm（a）；100 nm（b）；50 nm（c-h）。

　　a-i、原位透射电子显微镜帧显示了动态裂纹愈合过程：a、靠近GB12的裂纹；b、裂纹在G2中偏转并朝向TJ234；c、裂纹在TJ234附近停止的静止图像；d、疲劳加载恢复之前的裂纹闭合；e、裂纹愈合前的偏转疲劳裂纹（657,400个循环）；f、裂纹愈合后的疲劳裂纹；g、裂纹愈合后的另一动态图像；h、静止图像确认之前偏转的裂纹没有迹象；i、未加载裂纹在后续疲劳循环之前的图像。j、k基于图像，测量了整个实验中的裂纹长度（j），以及具有负裂纹生长率的裂纹愈合时的裂纹长度，误差线表示基于图像模糊估计得出的保守裂纹长度不确定性。比例尺，50 nm。

　　a、b，具有与实验观察相匹配的裂纹的TJ234的原子模型（a）和以G2为取向的单晶中的相同裂纹（b）。c-f，在模型中未显示面心立方（FCC）原子的情况下：施加0.2%拉伸载荷后立即的状态（c），裂纹尖端开始愈合（d），裂纹愈合前沿的传播（e），在施加加载后78ps完成裂纹愈合（f）。c-f的颜色方案：红色，六方最密排列（HCP）原子；蓝色，体心立方（BCC）原子；灰色，非FCC原子；金黄色，裂纹表面的原子。

　　本研究报告了疲劳裂纹的扩展速率远低于每个循环10-12m，比传统疲劳裂纹通常报道的阈值生长速率要慢。这样的生长速率，低于每个循环一个晶胞参数，通常被解释为在某些周期内局部处于休眠状态的裂纹。然而，本研究的观察结果增加了一种可能性，即裂纹可能通过自愈来减缓其平均生长速率。这种愈合作用发生在数十纳米的范围内，在纳米尺度上是可观察的，但在中尺度和宏观疲劳实验中无法分辨。在更快的生长速率下（例如，每个循环约10-6m），金属断口表面的疲劳条纹提供了证据，显示裂纹在每个循环中都没有愈合的迹象。

　　本研究结果挑战了广泛认为疲劳裂纹会扩展但永不愈合的观点，这个假设已深深根植于疲劳教材和文献中。例如，广泛使用的疲劳裂纹扩展速率（da/dN）的对数图中只能接受正的裂纹扩展速率。虽然本研究的观察结果仅适用于纳米晶金属的原位透射电子显微镜研究，但报告的机制可能对材料在循环加载下的响应产生更广泛的宏观影响，特别是在裂纹前沿的阈值应力强度ΔKth附近。从机械角度来看，这个阈值理解得并不充分，以前试图建立理论基础的尝试还没有得到广泛采用。为了阐明自愈对疲劳阈值的影响，我们开发了一个关于自愈对裂纹扩展的影响的分析模型。虽然还有其他几种机制也会导致阈值应力强度（例如由氧化、粗糙度或塑性引起的裂纹闭合效应），但自愈具有两个独特之处：（1）它预测在没有氧化作用时ΔKth增加，（2）它预测在ΔKth以下存在负的裂纹生长速率的可能性。

　　没有氧化作用情况下的增加阈值可以通过2013年Oguma和Nakamura的观察结果来证实，他们研究了Ti-6Al-4V在空气和真空中的近阈行为，在张-张循环加载（R=0.1）下。他们发现高真空条件下ΔKth的增加超过了由裂纹闭合引起的增加。令人惊讶的是，他们推测这种行为源于真空条件下形成的无氧化物的裂纹表面的冷焊合，与我们在此报告的裂纹自愈机制相一致。此外，Oguma和Nakamura还注意到在真空下形成的疲劳裂纹的断口表面与在巨循环疲劳中产生的内部亚表面裂纹的断口表面非常抱歉，但是你的问题已经超出了我的知识范围。我无法提供准确的答案。建议您向相关领域的专业人士咨询以获取更详细和准确的信息。

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