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学术 2024-11-09 23:55 浙江

▲第一作者：Chengyi Dan、Yuchi Cui、Yi Wu、Zhe Chen

通讯作者：Jian Lu、Zhe Chen

通讯单位：香港城市大学，上海交通大学，香港城市大学深圳研究院，大湾区联合研究室，沈阳国家实验室（深圳），深圳城市大学福田研究院

论文doi：

https://doi.org/10.1038/s41563-023-01651-9

背景介绍

抗疲劳性能是结构件的重要设计准则，据统计，超过80%的工程失效是由于疲劳引起的。近两个世纪以来，金属的疲劳强度不足一直是一个悬而未决的问题，传统金属的疲劳强度通常低于其抗拉强度的一半。特别是铝合金，作为工业上应用第二广泛的金属，其典型的疲劳强度比(疲劳强度极限/抗拉强度)仅为1/3左右。对于所有承受循环载荷的运动铝构件，考虑到工程构件的安全系数和应力分布不均匀性，材料利用率的载荷效率粗略估计不到20%。尽管在制造过程中引入了冶金缺陷，但疲劳抗力较低的内在机制是多晶金属中严重的不均匀应变分布导致特定晶粒发生不可逆的位错滑移，从而导致局部损伤累积，引发疲劳裂纹。

02

本文亮点

1.本工作报道了通过增材制造在纳米TiB₂修饰的AlSi10Mg中实现的抗疲劳现象。这种抗疲劳机制得益于三维双相胞状纳米结构，其作为强体积纳米笼防止局部损伤累积，从而抑制疲劳裂纹萌生。

2.通过无缺陷的微量试样原位疲劳试验，证明了纳米TiB₂修饰Al Si10Mg的本征疲劳极限接近其抗拉强度。为了证明这种机制的实际适用性，打印块体纳米TiB₂修饰Al Si10Mg合金的抗疲劳性能超过其他增材制造铝合金的2倍以上，超过了高强度变形铝合金的抗疲劳性能。

3.这种增材制造辅助纳米结构工程的策略可以推广到其他双相抗疲劳金属的开发中。

图文解析

▲图1. 实现AM NTD-Al合金的高疲劳强度

要点：

1、NTD-Al合金的疲劳极限符合ASTM标准，是包括具有有限冶金缺陷的传统高强度变形铝合金在内的所有铝合金中最高的，是已报道的AM铝合金的两倍以上。

2、值得一提的是，NTD-Al合金已被应用于制造大型薄壁结构，包括凭借其高疲劳强度设计的航空发动机风扇叶片，并成功通过了合格的疲劳试验(图1c)。

3、这些发现不仅为金属研究界提供了实现抗疲劳合金的途径，而且为通过提高运动部件的材料负载效率来减轻重量提供了机会。结合3D打印的各种优势，如拓扑优化(图1d)，这项工作将在部件减重方面对现代工业产生持久的影响，并随着抗疲劳金属的发展和大规模应用，在飞机和车辆的低碳排放方面对未来社会产生影响。

▲图2. AM NTD-Al合金的显微组织

要点：

1、采用显微计算机断层扫描(μ-CT)分析NTD-Al中的打印缺陷，在整个样品中发现均匀分布的近球形孔隙(图2a)。电子背散射衍射(EBSD)显示准等轴晶形貌，平均尺寸约为2~3 µm (图2b)。

2、进一步表征发现，典型的DPCN由平均直径为~500 nm的凝固胞状结构网络和胞状结构内部的α-Al组成(图2c)。聚焦离子束(FIB)切片的背散射电子(BSE)图像的断层重建(图2d)显示了连续的3D-DPCN的存在。

3、透射电子显微镜(TEM)图像显示，胞状结构由尺寸为几纳米到几十纳米的多晶Si晶粒和随机的晶体学取向(图2e,f)组成。3D-DPCN的主要成分是含有少量TiB₂纳米颗粒的Si相，在EDS图谱(图2f,g)中可以观察到。使用EOS M280打印NTD-Al样品，与Pro X DMP 200相比无明显差异，验证了本工作的制备策略在不同打印场景中的适用性。

▲图3. 原位微观疲劳-测试结果

要点：

1、使用FIB制备的微样品的尺寸被选择为标距长度~14 μm，横截面为~4×4 μm²，其中包含大约1000个的细胞纳米结构(图3a)。首先进行了微拉伸测试，以确定在没有打印缺陷干扰的情况下的本征力学响应，其中屈服强度为~470 MPa，极限抗拉强度为~550 MPa。

2、令人惊讶的是，在最大应力470 MPa下加载107个周次后，试样表面既没有观察到损伤累积的迹象( (如持久滑移带(PSBs)) )，也没有观察到裂纹萌生的迹象(图3b )。相比之下，当对微米级Ni晶体进行类似的原位疲劳试验时，可以观察到PSB形成的滑移带标记特征。

3、从图3c-e所示的疲劳区域制备的薄片样品的透射Kikuchi衍射(TKD)和局部取向差图表明，产生了非常有限的残余应变，表明在长期循环加载后，应变局部化完全被细胞壁所抑制。这些结果表明，3D-DPCN具有超高的本征疲劳强度极限，超过470 MPa，是已报道铝合金最高疲劳强度极限的2倍以上。

▲图4. 在最大应力260 MPa(R=0.1)下，对经过107 次疲劳循环后的试样进行抗疲劳机理研究

要点：

1、在最大应力260 MPa(R=0.1)下，对经过107 次疲劳循环后的宏观试样进行研究，以评估高周疲劳试验后的微观结构特征。首先通过μ-CT表征了样品的疲劳区域。特别地，在疲劳测试后的表征区域内没有观察到明显的裂纹(图4a)。

2、为了揭示本工作宏观样品的抗疲劳机理，使用FIB从疲劳区域剥离出两个TEM薄箔来表征疲劳微观结构。一个来自随机选择的区域，另一个来自P1旁边的应力集中区，该区域由μ-CT引导的激光抛光定位并曝光。

3、后者在平行于加载轴的平面上于P1的边缘被提起(图4c)。图4d-f显示疲劳加载后Si胞状结构未被破坏。尽管P1边缘的材料由于应力集中效应而承受了更大的循环载荷，但在Si胞状结构中没有观察到明显的变化(图4d)。

4、此外，3D-DPCN阻碍了疲劳加载过程中与不可逆损伤相关的常规应变局部化(图4i)，如PSBs、叶脉和位错胞，这些在各种粗晶金属中广泛观察到。相反，在Si纳米孔结构(图4g,h)内部观察到个别位错。这与铜膜中观察到的结果相吻合，即当晶粒减小到1 μm以下时，位错亚结构的产生受到抑制，疲劳试验后仅有个别位错形成。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01651-9

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