金属晶体材料疲劳损伤界面效应研究

为了更全面了解金属晶体材料疲劳损伤的物理本质，从上世纪90年代初开始，在王中光研究员的带领下，中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂国家重点实验室集中开展了双滑移和多滑移取向铜单晶体、双晶体和三晶体材料的疲劳损伤研究，系统地解释了晶体学取向和晶界在循环变形与疲劳损伤过程中的作用，特别是系统地研究了具有单、双和多滑移组元晶体取向的平行、垂直和倾斜晶界铜双晶体和三晶体的循环应力-应变响应、循环饱和位错组态、驻留滑移带与晶界的交互作用、沿晶和穿晶疲劳开裂机理以及疲劳寿命，做出了一些具有创新性的研究成果。最近，沈阳材料科学国家（联合）实验室材料疲劳与断裂研究部继续开展了不同金属材料退火孪晶界面的疲劳损伤行为研究，在退火孪晶界面的疲劳损伤行为方面观察到一些新的实验证据，为理解金属晶体材料的疲劳损伤物理本质与强韧化设计具有一定的指导意义。关于金属晶体材料疲劳损伤界面效应研究的主要结果可归纳如下：

1. 提出了平行晶界铜双晶体取向因子的计算方法，比较了大角度晶界和小角度晶界对双晶体强化作用的差别，建立了晶界疲劳强化模型。发现铜双晶体的循环应力-应变曲线特征与其组元晶体的取向、晶界与应力轴的交角及晶界性质密切相关。

2. 系统地比较了各种不同大角度晶界和小角度晶界疲劳裂纹萌生的可能性，发现沿晶界疲劳裂纹萌生强烈依赖于驻留滑移带与晶界的交互作用：i) 当驻留滑移带所携带的位错能够连续穿过晶界时，在晶界处不萌生疲劳裂纹，如小角度晶界；ii) 当驻留滑移带所携带的位错能够部分穿过晶界时，如具有共面滑移系的双晶体，沿晶界疲劳开裂所需的循环周次大大增加；iii) 对于大多数大角度晶界，由于位错的塞积作用，沿晶界疲劳开裂是一种必然现象。

3. 提出了平行、垂直、倾斜和全包围晶界铜双晶体及含小角度晶界铜多晶体的疲劳裂纹萌生的难易顺序为：小角度晶界、驻留滑移带、大角度晶界。进而揭示了晶界在疲劳过程中的双重作用：即大角度晶界对材料具有明显的强化作用，但也是疲劳裂纹萌生的有利位置；而小角度晶界对材料既没有明显的强化作用，也对疲劳裂纹萌生不敏感。

4. 通过设计双晶体中组元晶体的取向和晶界与应力轴的交角和观察驻留滑移带与晶界之间的交互作用，从实验上证明了德国学者Christ提出的晶界疲劳开裂几何模型的不适用性，并在此基础上进一步发展了沿晶疲劳开裂机制。

5. 退火孪晶界面疲劳损伤行为与开裂同材料的层错能有关，对于具有相对较高层错能的纯铜，在退火孪晶界面上未观察到疲劳裂纹萌生；而随着在铜中加入铝与锌合金元素使铜合金的层错能降低，孪晶界面疲劳开裂变得相对容易，主要原因是合金元素降低了层错能使滑移方式由波状滑移转变为平面滑移，位错与孪晶界面的交互作用也发生本质变化。

上述系统的研究工作结果受到国际同行的广泛关注。美国工程院院士Suresh教授在所著的《材料的疲劳》一书中用两个整节以上的篇幅对有关结果进行了介绍。王中光研究员被特邀在“国际疲劳”和“国际材料强度”大会上作全会报告，其结果被大会组委会主席称为材料疲劳领域内的“杰出的工作”。基于上述研究工作结果，2006年应国际知名刊物爱思唯尔期刊《材料科学进展》（Progress in Materials Science）主编Arzt教授的邀请，为该刊撰写了长篇综述论文：Grain Boundary Effect on Cyclic Deformation and Fatigue Damage。该文已于最近正式发表 (Zhang ZF and Wang ZG, Prog. Mater. Sci., 53 (2008) 1025-1099)。（