內容簡介

   經過數十年冶金技術的發展，結構性金屬合金得到了不斷改進，以抵抗變形、開裂和失效。裂紋偏轉、分支和橋接等增韌機制是廣泛采用的用于耗散機械能的策略。然而，針對合金損傷修復的工作，則要少得多。近期的研究，主要針對聚合物和復合材料，提出了設計自修復材料的策略。雖然大多數金屬自修復的方法都是利用外在熱源和潛在的可激活成分來修復損傷，但有趣的是，固有的微觀結構特征也可以修復損傷，而無需加熱至環境溫度以上。自修復有可能對金屬的許多結構應用產生影響，特別是循環載荷下的疲勞失效。在結構應用中，疲勞占在役失效的 90%。

    針對金屬材料的疲勞損傷修復問題，美國Sandia國家實驗室的Brad L. Boyce等研究人員，采用Bruker PI95 高精度原位納米力學測量系統，在透射電子顯微鏡（TEM）中進行拉伸高循環疲勞實驗。作者觀察到了納米晶Pt疲勞裂紋的自修復，發現固有的微觀結構特征不僅能阻止疲勞裂紋，還能使裂紋修復。在修復過程中，裂紋在三晶交點（TJ）附近停止，隨后通過明顯的冷焊過程修復，接著沿不同的裂紋路徑生長。修復發生時，遠場循環應力仍為拉伸應力，因此沒有施加壓縮來促進焊接過程。數值模擬結果表明，不均勻的局部應力和晶界的逐漸遷移促進了這種修復行為。純金屬在納米尺度上自愈的特性對疲勞響應的解釋和抗疲勞材料的設計具有重要意義。

   相關成果Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding于2023年7月發表于Nature 上。

研究結果和討論納米晶薄膜的原位疲勞加載實驗采用Bruker PI95的Push to Pull（PTP）裝置（如圖1左圖所示），通過將金屬薄膜材料固定于裝置的懸空裝樣位置，可以將直接施加于裝置的推力作用轉化為施加于樣品上的拉力，從而以簡便有效的操作方式實現薄膜樣品的拉伸加載和測量。針對疲勞測試，采用循環加載（如圖1右所示），實現對樣品的重復拉伸，以觀察樣品疲勞狀態下的結構和力學狀態。

建基于抗體的病毒-二茂鐵復合物

通過TEM原位納米力學實驗，作者在 40 nm厚的納米晶Pt中觀察到了高循環疲勞裂紋的產生和擴展。如圖2所示，疲勞裂紋在 TJ234 停止后，在 644000 至 684000 周期之間自修復。在這一循環加載階段，裂紋部分修復，導致裂紋長度縮短了 18 nm。裂紋修復發生在大約 664000 次循環，這一修復過程發生在具有正遠場拉伸應力的疲勞加載段，而不是在周期性靜態卸載期間。這種自主裂紋修復有別于裂紋閉合，因為沒有證據表明裂紋在繼續加載時會重新打開。此外，在 116000次循環后，裂紋開始向新的方向生長，表明之前的裂紋確實已經修復。圖像分析表明，伴隨裂紋修復出現了大量的微觀結構演變，包括孿晶邊界 (GB34)）明顯遷移了 1-2 nm。

為了探索這種裂紋修復的內在機制，作者在原子模型中復制了實驗觀察到的裂紋附近的晶粒結構（圖 3）。模擬結果表明修復過程是機械性的而不是擴散性的。在裂紋修復的同時，GB34 在裂紋前端附近遷移了約 2.3 ?，這種效應與實驗觀察到的 GB34 在裂紋修復過程中的演變在性質上是一致的。在局部晶界遷移產生的內應力的影響下，裂紋面通過閉合和冷焊使裂紋修復。冷焊通常指裸金屬在接觸下被壓縮時，相結合的過程。然而，證明，即使在拉伸應力的情況下，疲勞裂紋的尖端也會發生冷焊。人們已經認識到晶界遷移會在 TJ 處產生局部應力，該研究表明，這些應力會導致裂紋修復，即使在外部拉伸載荷的作用下也是如此。
總結        作者采用Bruker PI95 高精度原位納米力學測量系統，在TEM中進行拉伸高循環疲勞實驗，發現純金屬中的疲勞裂紋可以進行自修復。作者觀察到納米級疲勞裂紋在局部微結構障礙處前進、偏轉和停止，在局部應力狀態和晶界遷移的作用下，通過裂紋冷焊而修復。這對疲勞響應的解釋和抗疲勞材料的設計具有重要意義。

建基于抗體的病毒-二茂鐵復合物

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06223-0
PI89 SEM聯用原位納米力學測量系統簡介：https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/test-and-measurement/nanomechanical-instruments-for-sem-tem/hysitron-pi-89-sem-picoindenter.html
PI95 TEM聯用原位納米力學測量系統簡介：https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/test-and-measurement/nanomechanical-instruments-for-sem-tem/hysitron-pi-95-tem-picoindenter.html 

文章內容來源于公眾號《布魯克納米表面儀器》