金屬晶體材料疲勞損傷界面效應研究

為了更全面了解金屬晶體材料疲勞損傷的物理本質，從上世紀90年代初開始，在王中光研究員的帶領下，中國科學院金屬研究所材料疲勞與斷裂國家重點實驗室集中開展了雙滑移和多滑移取向銅單晶體、雙晶體和三晶體材料的疲勞損傷研究，系統地解釋了晶體學取向和晶界在循環變形與疲勞損傷過程中的作用，特別是系統地研究了具有單、雙和多滑移組元晶體取向的平行、垂直和傾斜晶界銅雙晶體和三晶體的循環應力-應變響應、循環飽和位錯組態、駐留滑移帶與晶界的交互作用、沿晶和穿晶疲勞開裂機理以及疲勞壽命，做出了一些具有創新性的研究成果。最近，沈陽材料科學國家（聯合）實驗室材料疲勞與斷裂研究部繼續開展了不同金屬材料退火孿晶界面的疲勞損傷行為研究，在退火孿晶界面的疲勞損傷行為方面觀察到一些新的實驗證據，為理解金屬晶體材料的疲勞損傷物理本質與強韌化設計具有一定的指導意義。關于金屬晶體材料疲勞損傷界面效應研究的主要結果可歸納如下：

1. 提出了平行晶界銅雙晶體取向因子的計算方法，比較了大角度晶界和小角度晶界對雙晶體強化作用的差別，建立了晶界疲勞強化模型。發現銅雙晶體的循環應力-應變曲線特征與其組元晶體的取向、晶界與應力軸的交角及晶界性質密切相關。

2. 系統地比較了各種不同大角度晶界和小角度晶界疲勞裂紋萌生的可能性，發現沿晶界疲勞裂紋萌生強烈依賴于駐留滑移帶與晶界的交互作用：i) 當駐留滑移帶所攜帶的位錯能夠連續穿過晶界時，在晶界處不萌生疲勞裂紋，如小角度晶界；ii) 當駐留滑移帶所攜帶的位錯能夠部分穿過晶界時，如具有共面滑移系的雙晶體，沿晶界疲勞開裂所需的循環周次大大增加；iii) 對于大多數大角度晶界，由于位錯的塞積作用，沿晶界疲勞開裂是一種必然現象。

3. 提出了平行、垂直、傾斜和全包圍晶界銅雙晶體及含小角度晶界銅多晶體的疲勞裂紋萌生的難易順序為：小角度晶界、駐留滑移帶、大角度晶界。進而揭示了晶界在疲勞過程中的雙重作用：即大角度晶界對材料具有明顯的強化作用，但也是疲勞裂紋萌生的有利位置；而小角度晶界對材料既沒有明顯的強化作用，也對疲勞裂紋萌生不敏感。

4. 通過設計雙晶體中組元晶體的取向和晶界與應力軸的交角和觀察駐留滑移帶與晶界之間的交互作用，從實驗上證明了德國學者Christ提出的晶界疲勞開裂幾何模型的不適用性，并在此基礎上進一步發展了沿晶疲勞開裂機制。

5. 退火孿晶界面疲勞損傷行為與開裂同材料的層錯能有關，對于具有相對較高層錯能的純銅，在退火孿晶界面上未觀察到疲勞裂紋萌生；而隨著在銅中加入鋁與鋅合金元素使銅合金的層錯能降低，孿晶界面疲勞開裂變得相對容易，主要原因是合金元素降低了層錯能使滑移方式由波狀滑移轉變為平面滑移，位錯與孿晶界面的交互作用也發生本質變化。

上述系統的研究工作結果受到國際同行的廣泛關注。美國工程院院士Suresh教授在所著的《材料的疲勞》一書中用兩個整節以上的篇幅對有關結果進行了介紹。王中光研究員被特邀在“國際疲勞”和“國際材料強度”大會上作全會報告，其結果被大會組委會主席稱為材料疲勞領域內的“杰出的工作”。基于上述研究工作結果，2006年應國際知名刊物愛思唯爾期刊《材料科學進展》（Progress in Materials Science）主編Arzt教授的邀請，為該刊撰寫了長篇綜述論文：Grain Boundary Effect on Cyclic Deformation and Fatigue Damage。該文已于最近正式發表 (Zhang ZF and Wang ZG, Prog. Mater. Sci., 53 (2008) 1025-1099)。（