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研究人员对5 mm的纳米孪晶铜样本（上图）进行项链断了去哪里了疲劳测试。电子显微镜图像显示项链断了去哪里，测试前材料的显微组织（图像b和c）在17000个载荷循环后保持不变（图像e和f）。研究结果表明项链断了去哪里，纳米孪晶的抗疲劳能力远高于标准金属。

图片来源：Quingson Pan et. al提供。

《Nature》杂志上的一项新研究表明，金属可以在纳米尺度上进行模式化，从而可以更好地抵抗疲劳，也就是从重复的内部损伤中缓慢累积应变。

这项研究主要集中在纳米孪晶制造的金属，即金属中的原子晶格具有相同的晶体结构，中间有微小的线性边界的金属。研究表明，孪晶有助于稳定在原子水平上产生的重复性缺陷，并限制与疲劳相关的损伤的积累。

“百分之九十的金属零件和工程结构的失效原因都是由于过度疲劳，”布朗大学工程学院的Huajian Gao教授说，项链断了去哪里他也是这项新研究的通讯作者。 “这项工作代表了一种潜在的更耐疲劳的金属的诞生，这对于几乎所有的工程环境都是非常有实用价值的。”

Gao与布朗大学的博士后研究员Haofei Zhou，以及中国科学院的Quingson Pan、Qiuhong Lu和Lei Lu一同开展了这项研究。

为了研究纳米孪晶的疲劳效应，研究人员对内部结构呈现紧密平铺排列的晶体颗粒的块状铜试样进行了电镀。然后他们进行了一系列的实验，他们在不同的应变振幅下反复拉伸和压缩了该材料试样，并用疲劳测试系统测量了材料的相关应力响应。从应变振幅0.02%开始，研究人员逐步增加振幅，1500个循环后增至0.04%，然后再1500个循环后使应变振幅继续增至0.06%，最后达到顶峰0.09%。

　　试验结果表明

在每个应变振幅下，纳米孪晶铜的应力响应会呈现迅速稳定在该振幅下的状态。Gao说：更重要的是研究发现，在实验的后半段，当金属周期性地增加应变振幅时，每个应变振幅下的应力响应是相同的。这意味着这种材料在应变作用下不会硬化或软化，就像我们对大多数金属所期望的那样。

“尽管已经经历了数千次的应变循环，但这些材料显示出了同样的压力反应，”Gao说。 “这告诉我们，这种材料对循环应变的反应与以往的材料是不一样的——它的损伤不会像在普通材料中那样累积。”

为了进行比较，研究人员对非纳米级的样品进行了类似的实验，结果显示出明显的硬化和软化（当然这取决于材料），并显示出在大多数金属中常见的累积疲劳效应。

为了了解这种抗疲劳的机理，研究人员对金属原子结构进行了超级计算机模拟。在原子能级上，物质变形通过位错运动表现出来——在晶体结构中，原子由于被推离位置而形成线缺陷。模拟结果显示，与纳米孪晶结构组织应变相关的位错形成了线性带，称为相关项链错位（以其在模拟中类似于珍珠项链一样的形状命名）。Gao说，在每一个晶粒中，这些错位都是平行的，不会阻碍彼此的运动；这就是为什么位错的作用是可逆的。

他说：“在正常的材料中，疲劳损伤会累积，因为错位会相互缠绕，无法消除。而在孪晶金属中，相关项链位错是高度有组织的和稳定的。所以，当应力释放后，位错会很容易地回撤，并且不会对纳米结构造成累积损害。”

然而，这些金属也并非完全不受疲劳的影响。研究表明，在每一晶粒内都有抗疲劳性能；但晶粒间的边界仍然会存在损伤。 “晶粒内部的高强度的抗疲劳能力减缓了降解过程，因此结构具有更长的疲劳寿命”Gao说。

高的研究小组已经对纳米金属进行了广泛的研究，之前的研究表明纳米孪晶结构可以提高金属的强度——抗弯曲的能力和延展性，以及不断裂的拉伸能力。这个新发现表明了该金属结构的另一个优势。他和他的同事们希望这项最新的研究能鼓励制造商们找到制造金属纳米孪晶的新方法。本研究中用于制造铜的电镀方法对于制造大型零件是不实用的。虽然现在有一些形式的孪晶金属（如孪晶诱导塑性或“TWIP钢等），但科学家们仍在寻找廉价和有效的方法来制造具有孪晶结构的金属和合金。

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“它更多的是一门艺术，而不是一门科学，我们还没有掌握它，”来自中国科学院的一名作者Lu说。 “我们希望，如果我们指出项链断了去哪里你能从孪晶中得到的更多的好处，它可能会刺激制造专家去寻找新的合金，而这种合金很容易就能制造出来孪晶结构。”

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　　译者：兔子小光

　　译自：pddnet