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一作+通訊Science，找到金屬疲勞的根源，并實現預測！

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金屬材料會經歷不可逆變形，施加應力增加，表現為局部滑移事件，導致反復循環時的疲勞失效。
文獻中廣泛報道了高循環疲勞狀態下的疲勞強度與金屬材料的內在力學性能之間的相關性，包括屈服強度、極限拉伸強度和硬度。最令人感興趣的是觀察到疲勞強度隨著屈服強度或極限拉伸強度的增加而增加。
然而，繪制歸一化的疲勞強度與金屬屈服強度或極限抗拉強度的關系圖表明，在許多情況下，高強度的金屬材料在應力低至屈服強度的25%時因疲勞而失效，這表明疲勞效率非常低。將拉伸和屈服強度與疲勞強度聯系起來的微觀結構尺度上的物理過程和參數尚未完全了解。此外，目前還不清楚為什么高抗拉強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，并實現預測！
伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校助理教授Jean-charles Stinville（一作+通訊）等人在Science發表文章，On the origins of fatigue strength in crystalline metallic materials，通過納米分辨率數字圖像相關性來觀察各種合金表面的滑移定位。他們發現，在一個變形周期后，早期滑移定位事件的振幅決定了疲勞強度。
在微觀結構尺度上，也就是在多晶集合體的單個晶體(晶粒)尺度上進行塑性定位的量化，對單調加載和循環加載都是一個挑戰?；剖录膶嶒炗^測需要納米尺度的空間分辨率。相反，在微觀結構構型的統計代表性的材料響應需要毫米尺度的場。然而，在掃描電子顯微鏡(SEM)上原位操作的測試設備的最新進展，結合高分辨率數字圖像相關和自動化多模態數據分析，為量化大視場上離散滑移事件和滑移活動的特征提供了機會。
作者整合了這些實驗能力，以研究具有面心立方（fcc）、六邊形緊密堆積（hcp）和以體心立方（bcc）晶體結構的大量合金的單調和完全反向加載期間的滑移定位。作者在具有統計學意義的目標區域進行了測量，并使用多模式數據合并方法對微觀結構和個別滑移定位事件之間的關系進行了定量研究，包括其位置、強度和可逆轉度。
作者發現：第一周期中形成的滑移定位振幅與材料的疲勞強度之間的線性關系，通過第一次加載周期的滑移定位振幅可以預測滑移變形的金屬合金的疲勞強度。
Basquin的疲勞定律長期以來一直作為預測重復應力下材料壽命的標準方程而存在，但它完全是經驗性的。Stinville等人提供的數據驅動分析通過將金屬的疲勞壽命與其屈服強度和滑移定位強度聯系起來，為Basquin方程的參數提供了更深入的數據支持。這是朝著更明確地預測疲勞強度邁出的一大步。
圖文詳情
一作+通訊Science，找到金屬疲勞的根源，并實現預測！
圖1. 拉伸性能與疲勞強度之間的關系

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圖2. 表面滑移定位的定量測量
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圖3. 疲勞強度作為滑移定位的函數
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圖4. 通過金屬材料的滑移測量疲勞強度和局部化振幅
一作+通訊Science，找到金屬疲勞的根源，并實現預測！
圖5. 體心立方金屬的疲勞和定位
文獻信息
Stinville et al. On the origins of fatigue strength in crystalline metallic materials. Science 377, 1066-1071 (2022).
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0392

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