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金屬材料會(huì)經(jīng)歷不可逆變形，施加應(yīng)力增加，表現(xiàn)為局部滑移事件，導(dǎo)致反復(fù)循環(huán)時(shí)的疲勞失效。

文獻(xiàn)中廣泛報(bào)道了高循環(huán)疲勞狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度與金屬材料的內(nèi)在力學(xué)性能之間的相關(guān)性，包括屈服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度和硬度。最令人感興趣的是觀察到疲勞強(qiáng)度隨著屈服強(qiáng)度或極限拉伸強(qiáng)度的增加而增加。

然而，繪制歸一化的疲勞強(qiáng)度與金屬屈服強(qiáng)度或極限抗拉強(qiáng)度的關(guān)系圖表明，在許多情況下，高強(qiáng)度的金屬材料在應(yīng)力低至屈服強(qiáng)度的25%時(shí)因疲勞而失效，這表明疲勞效率非常低。將拉伸和屈服強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度聯(lián)系起來(lái)的微觀結(jié)構(gòu)尺度上的物理過程和參數(shù)尚未完全了解。此外，目前還不清楚為什么高抗拉強(qiáng)度的金屬和合金具有如此低的疲勞效率。

一作+通訊Science，找到金屬疲勞的根源，并實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)！

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校助理教授Jean-charles Stinville（一作+通訊）等人在Science發(fā)表文章，On the origins of fatigue strength in crystalline metallic materials，通過納米分辨率數(shù)字圖像相關(guān)性來(lái)觀察各種合金表面的滑移定位。他們發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)變形周期后，早期滑移定位事件的振幅決定了疲勞強(qiáng)度。

在微觀結(jié)構(gòu)尺度上，也就是在多晶集合體的單個(gè)晶體(晶粒)尺度上進(jìn)行塑性定位的量化，對(duì)單調(diào)加載和循環(huán)加載都是一個(gè)挑戰(zhàn)。滑移事件的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)需要納米尺度的空間分辨率。相反，在微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)型的統(tǒng)計(jì)代表性的材料響應(yīng)需要毫米尺度的場(chǎng)。然而，在掃描電子顯微鏡(SEM)上原位操作的測(cè)試設(shè)備的最新進(jìn)展，結(jié)合高分辨率數(shù)字圖像相關(guān)和自動(dòng)化多模態(tài)數(shù)據(jù)分析，為量化大視場(chǎng)上離散滑移事件和滑移活動(dòng)的特征提供了機(jī)會(huì)。

作者整合了這些實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ匝芯烤哂忻嫘牧⒎剑╢cc）、六邊形緊密堆積（hcp）和以體心立方（bcc）晶體結(jié)構(gòu)的大量合金的單調(diào)和完全反向加載期間的滑移定位。作者在具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行了測(cè)量，并使用多模式數(shù)據(jù)合并方法對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和個(gè)別滑移定位事件之間的關(guān)系進(jìn)行了定量研究，包括其位置、強(qiáng)度和可逆轉(zhuǎn)度。

作者發(fā)現(xiàn)：第一周期中形成的滑移定位振幅與材料的疲勞強(qiáng)度之間的線性關(guān)系，通過第一次加載周期的滑移定位振幅可以預(yù)測(cè)滑移變形的金屬合金的疲勞強(qiáng)度。

Basquin的疲勞定律長(zhǎng)期以來(lái)一直作為預(yù)測(cè)重復(fù)應(yīng)力下材料壽命的標(biāo)準(zhǔn)方程而存在，但它完全是經(jīng)驗(yàn)性的。Stinville等人提供的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分析通過將金屬的疲勞壽命與其屈服強(qiáng)度和滑移定位強(qiáng)度聯(lián)系起來(lái)，為Basquin方程的參數(shù)提供了更深入的數(shù)據(jù)支持。這是朝著更明確地預(yù)測(cè)疲勞強(qiáng)度邁出的一大步。

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