我国在纳米孪晶Cu与低疲劳累积损伤研究领域取得新进展

　　在国家自然科学基金项目（项目编号：50725103，50890171，U1608257，51420105001，51471172）等资助下，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室卢磊研究员课题组和美国布朗大学高华健教授课题组合作研究，发现具有晶体学对称结构的纳米孪晶金属的循环响应稳定，而且累积疲劳损伤非常有限。研究成果以“History-Independent Cyclic Response of Nanotwinned Metals”（纳米孪晶金属与历史无关的稳定循环响应研究）为题，于2017年10月30日在线发表在Nature（《自然》）杂志上。

图1. 纳米孪晶Cu与历史无关的稳定循环响应行为。在变幅疲劳实验中, 具有不同孪晶片层和晶粒尺寸的两类纳米孪晶样品随塑性应变幅阶梯式递进增加时的循环响应曲线（图a和d）和随塑性应变幅阶梯式递进减小时的循环响应曲线（图b和e）；图c和f分别为两类样品在不同应变幅时的滞后环。应变幅恒定时，应力和应变具有一一对应关系，循环滞后环几乎完全重合。

图2. 分子动力学计算模拟疲劳试验过程中纳米孪晶片层内形成的高度关联项链状位错及稳定孪晶界面。

　　据不完全统计，约90%金属构件在实际服役过程中的失效均由疲劳断裂引起。疲劳断裂是材料在循环加载中微观结构不断遭受不可逆转的累积损伤，从而导致材料硬化或软化直至最终失效的过程。由于金属材料的循环响应不稳定，以及疲劳寿命强烈依赖于其疲劳历史，因此实际复杂循环载荷服役条件下金属构件的疲劳失效研究和寿命预测十分困难。

　　卢磊研究员通过传统拉-压变幅应变控制疲劳实验研究块体择优取向纳米孪晶纯铜样品的循环应力响应特性，发现在恒定应变幅下，其应力响应迅速稳定（既不硬化也不软化）；更为重要的是，当应变幅阶梯式递进增加以及随后阶梯式递进减小时，该样品的应力-应变响应一一对应，循环滞后环几乎完全重合（图1）。经过上万次循环加载变形之后，纳米孪晶金属的塑性变形可逆且没有累积损伤，表现出一种独特的与历史无关的稳定循环响应特征。通过微观结构分析与大规模分子动力学计算模拟，发现循环载荷作用下，纳米孪晶结构中仅有单滑移位错启动，在纳米尺度孪晶间形成大量超级稳定、相互平行的高度关联项链状位错（图2）。该关联项链状位错结构在往复可逆运动中承担塑性变形，但相互之间并无交互作用，既不破坏纳米孪晶结构的稳定性也不造成累积损伤。这种具有晶体学对称结构纳米孪晶金属的循环响应特征与传统单晶、粗晶和纳米晶体金属的循环变形行为截然不同，不但具有循环稳定响应而且疲劳累积损伤非常有限。这类具有独特的稳定循环响应特征和有限累积损伤的纳米结构为发展抗疲劳损伤的高性能金属工程材料提供新思路。