疲劳性能是承重部件和结构的最重要特性之一。众所周知，疲劳裂纹扩展（FCG）由应力范围和平均应力决定。塑性引起的裂纹闭合和残余应力被认为是疲劳过载延迟现象的主要原因。材料科学家长期努力寻求在不显著降低延展性和韧性的情况下增强材料的方法，但是这些设计通常彼此矛盾。纳米晶材料由于其极高的强度，疲劳寿命和耐磨性而受到关注。这些优越的性能引起了人们对各种结构和功能应用的极大兴趣（例如在航空航天，运输，医疗设备等行业中）。但是，细化晶粒通常会提高强度，而会降低材料的韧性，会减少裂纹尖端的塑性区。虽然对纳米晶体材料的疲劳裂纹扩展已有一些研究，但是关于纳米晶材料疲劳过载行为的报道很少。 英国曼彻斯特大学最近的一项研究对通过脉冲电沉积制备的纳米晶（NC）的Ni进行了疲劳过载实验，并与超细晶（UFG）和粗晶（CG）Ni进行对比分析，讨论了晶粒尺寸对Ni疲劳过载行为的影响。相关论文于以题为“The effect of grain size on the fatigue overload behaviour of nickel”发表在Materials & Design。 论文链接： https:///10.1016/j.matdes.2020.108526 实验过程中使用的三种不同晶粒尺寸Ni分别为NC-Ni（晶粒尺寸约为30nm）、UFG-Ni（约360nm）和CG-Ni（约30μm）。研究发现除NC-Ni外，其余尺寸Ni样品的FCG速率在过载后不会立即延迟，在某些情况下，甚至观察到FCG速率的瞬时加速。由于NC试样的强度非常高，因此过载无法产生足够大的塑性变形，这意味着塑性诱导的裂纹闭合和残余应力效应得到了很大程度的抑制。 由于晶粒尺寸很小，材料变得更难变形，这减小了塑性拉伸和弹性变形之间的形状失配。细小的晶粒不仅增加了材料的强度，而且减小了裂纹路径的曲折度和断裂表面的粗糙度。因此，纳米晶样品的晶粒尺寸最小，并且受延迟机制的影响最小。 图1 不同晶粒尺寸试样的裂纹SEM图像 图2对于裂缝开口方向裂纹尖端的应力场 另一个发现是晶粒尺寸在材料的疲劳过载行为中起重要作用。强化材料的晶粒细化会降低过载带来的可塑性。CG-Ni的延迟距离略大于由过载引起的单调塑性区，而NC-Ni的延迟长度明显小于其过载的向前塑性区。由于晶粒粗化（特别是在高应变或高应力下），塑性变形引起的闭合是由于裂纹尖端周围单调和周期性塑性变形的协同作用所致。正向变形增大，而反向变形减小闭合载荷，从而减小闭合效果。对于NC和UFG情况，由于周期性软化，反向变形在过载之后变得更加明显。因此，就过载塑料区的延迟距离而言，与硬化材料相比，环状软化材料的闭合效果更小。 图3 NC-Ni裂纹区域图像 图4 CG-Ni裂纹区域图像 图5 裂纹扩展示意图 本文系统地研究了晶粒细化对裂纹扩展的影响，并为新材料的设计提供了新的思路，例如具有从纳米级到微米级梯度的梯度金属材料。纳米层提供高强度并具有抗裂纹和耐磨性，而粗晶粒层则有助于提高延展性和抗裂纹扩展性。总的来说，与晶粒大小单一的材料相比，这种分层结构可以显示出高强度和高韧性的优异组合。（文：破风） |
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