《Science》重磅！金属委顿范畴得到庞大打破

导读：当重复加载时，金属会产生委顿，当裂纹形成并在质料中流传时，终极会导致失效。本文在金属镍中研究了这一历程的劈头，使用高辨别观看追踪了位错是怎样在裂纹形成之前演化成被称为连续滑移带的微观布局特性的。研究发觉位错缠结并演化为更有纪律的隔断模式是形成连续滑移带的底子，现在的看法提供了一种途径，将微米级的变形机制与产生在金属宏观标准上的委顿失效联络起来。

金属是很多布局应用的首选质料，由于它们能在强度和塑性之间提供精良的均衡。在施加轮回载荷的应用中，委顿粉碎困扰着全部的金属，是以减轻委顿黑白常紧张的。在延性金属中，委顿裂纹的萌生是很小的，只管很多学者已经致力于研究裂纹增进，但从无裂纹金属到有裂纹的变化仍旧是金属委顿研究的庞大挑衅之一。

韧性金属微裂纹的成核是位错在轮回加载历程中往复活动的效果，使位错自生长发展程有序布局。位错是由晶体质料中原子分列的不规章引起的，其活动会导致塑性变形。门路位错布局（通常称为连续滑移带(PSBs)）大概是委顿裂纹萌生历程中最紧张的缺陷布局。PSBs的情势是有规章的隔断，由位错-位错偶极子构成的麋集壁将其分开成雷同门路的布局。

美国约翰·霍普金斯大学Steven Lavenstein传授团队在微米级Ni单晶体中（一种典范的面心立方晶体）设计了一种高频微委顿试验，在非常有限的质料体积中复制PSB形成的须要条件，对PSBs举行原位观看和表征。作者发觉PSBs在微晶体积内局部成核，然后渐渐流传，直到它们超过整个滑动地区。与块状相比，要使微晶中的PSB成核，必要相对较大的轮回次数（> 10^6），而且相应地，在微米标准上体现出极高的委顿寿命。PSB外貌滑移陈迹彷佛在成型后马上具有固有的粗糙度。充实增殖后，PSB滑痕的粗糙度在进一步轮回载荷下连结稳健。相干研究效果以题“The heterogeneity of persistent slip band nucleation and evolution in metals at the micrometer scale”于北京时间2020年10月9日颁发在期刊Science上。

本文利用原位微委顿试验来研究PSB的形成和演化机制，发觉PSB在微米级广泛存在。在这种范围上的位错累积速率小于散装样品中的位错累积速率，这会耽误PSB成核。与大标准相比，必要相对大量的轮回(>10^6)才气在微晶中成核，相应地，极度委顿寿命在微米标准下体现出来。在这些观看的底子上，本文提出了微米标准的PSB成核模子，并开辟了一个依靠于尺寸的概率模子来猜测PSB和随后的裂纹激发所需的轮回次数。图1 Ni高频微探针试验效果(A到O) 在6.3×10^3的剪切应变振幅下轮回加载的Ni微晶边沿面上外貌形态演化的SEM照片。微晶的横截面为矩形，尺寸为12μm到10 μm，长度为26毫米。(P)测试后表现边沿和螺旋平面的外貌形态的二维视图。(Q) 边沿平面上四个阐发的PSB外貌滑移标志的动态刚度和总面积与加载轮回次数的干系。在这些显微照片中，侵入用微晶外貌的暗中地区区分。图2 从Ni微晶中平行于螺旋平面提取的位错布局，以1.1×10^3的剪切应变振幅轮回加载10^4周，然后以6.9×10^3的剪切应变振幅轮回加载1.45×10^7周。(A) 一个大的PSB是由一组多个PSB一路聚拢而成的。b箭头表现Burgers矢量。(B) (A)中虚线框的放大图，表现了沿PSB矩阵界面一侧具有裂纹状开口的PSB。
图3 Ni微晶在4.2×10^3的剪切应变振幅下轮回加载6.43×106次的SEM和TEM照片。(A) 扫描电镜显微照片表现螺杆平面上的外貌形态。(B到F) 在差别位置平行于螺旋平面的横截面FIB剥离箔的位错布局的TEM照片。
图4 在6.3×10^3的剪切应变振幅下轮回加载的Ni微晶的差别PSB外貌滑移标志的流传表面。PSB外貌滑移标志在自由外貌以相对平展的表面延伸时的宽度称为初始宽度。

微米标准的PSB成核模子表示图如图5所示:(i) 在最初的几个加载轮回中，平行平面上最弱的已有位错源将被激活，该位错源具有最高的剖析剪应力。自由外貌周边的位错将离开微晶，孕育发生直线所示的外貌台阶。(ii)在进一步的轮回加载后，因为晶体中位错的往复活动，在主滑移面上形成位错缠结。这些位错也与次级位错胶葛在一路(未图示)。(iii)在临界数目的轮回之后，位错缠结离开，形成低级边沿偶极子。(iv)因为螺旋位错的往复滑动，偶极子聚拢成梯形布局，组成PSB核。(v)随着四周基质的位错解开并成为PSB门路布局的一部门，PSB核变宽和变长。这个PSB核的出口在Burgers矢量的偏向上以外貌标志的情势显现。(vi)流传陆续举行，直到PSB据有整个滑动地区，从而孕育发生越发显着和稳健的外貌标志。(B) 在8个轮回(左侧)和8.5×10^6个轮回(右侧)后，以6.3×10^3的剪切应变振幅轮回加载的Ni微晶外貌形态的高比拟度SEM照片。图5 位错微观布局和外貌滑移陈迹的演化。图6 PSB成核的概率模子。实线表现的是单晶中第一次PSB成核变乱的预期轮回数与晶体尺寸的干系，如公式1所示，λ0=10^3。暗影地区是90%的置信区间。本研究中数据的剖析剪切应变振幅范畴为3.5×10^3至6.3×10^3。报道了Ni单晶在饱和开始时的团体数据

别的，只管这里给出的效果会合在纯Ni上，但所确定的根本机制对很多质料体系来说是配合的。是以，现在的看法提供了一种途径，将微米级的变形机制与产生在金属宏观标准上的委顿失效联络起来。

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