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背景简介

疲劳失效是金属构件中最常见的失效形式之一。尽管目前已提出许多微结构调控方法以提高材料的疲劳抗性，但大多数方法只能单纯抑制裂纹的萌生或扩展，难以做到二者兼顾。贝壳珍珠层等生物材料因其优异的变形协调能力和强韧均衡性，成为金属结构材料设计的追求目标，然而，珍珠层砖墙状有序微观结构的大面积制造成形，一直是机械领域的难题。华东理工大学张显程教授团队成功在金属材料表面构建了纳米砖墙状仿生强化层，这一创新设计同时提升了裂纹萌生与扩展的抗性，显著增强了金属材料的疲劳性能。通过多尺度原位实验和仿真分析，作者揭示了仿生强化层卓越疲劳性能的物理机制，并提出了基于损伤均匀化的多尺度抗疲劳设计方法。系列成果在领域内知名期刊Nature Communication [15.1 (2024): 6917]、International Journal of Plasticity [182 (2024): 104128]上发表。

仿生表面强化层制备工艺及性能评价

作者发展了超高剪切应变速率（最高可达 3×10³ s^-1）超声滚压工艺，在纯钛表面制备出了新型梯度仿生结构，表面为纳米尺度砖墙状结构，次表面为多级孪晶结构。与粗晶对照组相比，梯度仿生结构的疲劳寿命提升了10至100倍，展现出了优异的抗疲劳性能。此外，尽管梯度仿生结构与传统梯度等轴晶结构在拉伸性能和残余应力分布上相似，其疲劳性能却显著超越传统结构。这主要归因于其表层高强度的纳米砖墙结构，具有优异的抗疲劳裂纹扩展能力，其裂纹扩展速率相比于较软的粗晶结构还低了2个数量级。其优异的强度与抗断裂匹配性能大幅超越现有的微观结构设计方法，表明了纳米结构再增韧的潜力，所发展的新型强化工艺有望应用于大型工程构件表面的抗疲劳制造。

图1 (a) 仿生表面强化技术及微观结构表征；(b) 梯度仿生结构、梯度等轴晶结构及粗晶结构的疲劳寿命对比；(c) 梯度仿生结构与其他微结构强韧匹配性能对比

梯度仿生结构疲劳性能提升机制

作者发展了一种改进的应变梯度晶体塑性本构模型，考虑了晶粒尺寸相关的初始位错密度及其演化过程以及背应力强化效应，该模型成功解耦了应变去局部化与背应力强化在降低梯度仿生结构疲劳损伤集中方面的作用。此外，分子动力学分析显示，在疲劳载荷下，纳米砖墙层中的横向大角度晶界保持稳定，避免了增厚和软化，防止了传统梯度结构中常见的表层晶粒粗化和应变局部化现象，这种机械稳定性是保障其他强化机制在疲劳裂纹萌生前持续发挥作用的关键。通过原位扫描电镜力学实验，作者发现，梯度仿生结构的优异止裂性能源自其多尺度顺序增韧机制。具体而言，表层纳米砖墙结构通过极高的裂纹偏转频率（≈1.7×10³ /mm）实现增韧，而次表层的多级孪晶则依靠裂纹分叉、钝化以及二次裂纹等内在增韧机制，上述机制共同保障了梯度仿生结构优异的低周与高周疲劳性能。最后，作者提出并验证了一种基于损伤均匀化的抗疲劳设计方法，即在调控金属宏观强韧化的同时，降低微观损伤集中因子，为设计出高强韧且抗疲劳的微观结构提供理论指导。

图2 (a) 梯度仿生结构模型建立；(b) 应变去局部化及背应力强化对疲劳损伤的影响；(c) 疲劳载荷下表面砖墙层微观结构演化；(d) 梯度仿生结构止裂机制

致谢

该研究工作得到了国家重点研发计划 (2022YFB4600019)    、国家自然科学基金 (52222505) 的资助。

本期小编 张　勇（整理）

姚辰霖（校对）

王康康（审核）

董乃健（发布）