历久弥新，见证科学——走入中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂实验室

中国科学院金属研究所成立于 1953 年，是新中国成立后中国科学院新创建的研究所之一，创建者是我国著名的物理冶金学家李董先生。金属研究所是材料科学与工程领域具有重要国际影响的研究机构，是我国高性能材料研究与发展的重要基地。在高温合金、钦合金、特种合金、钢铁、铝合金、镁合金、金属基复合材料、陶瓷等先进结构材料领域和纳米材料、碳材料、磁性材料、生物材料、能源材料等新型功能材料领域，开展材料的成分设计、结构表征、制备加工、性能测试和使役行为研究。

金属研究所材料疲劳与断裂实验室主要致力于各种结构材料力学行为的基础性研究，探索各种结构材料在变形与断裂过程中出现的力学问题，揭示其变形与断裂机理，从不同类型材料的各种破坏现象中，发现、提炼或归纳出具有普遍意义或特殊性的规律， 建立或发展评价材料变形、断裂与力学性能的新理论或新方法，为其工程应用提供实验证据和理论指导，以促进结构材料的研究与发展和创新型研究人才的培养。

材料疲劳与断裂实验室于2014年引进了岛津Servopulser高温原位疲劳试验机，配合JSM-6510电子显微镜使用。该设备已运行9年，目前运行状态良好。管理人员使用这台设备帮助金属所多个课题组和国内多家院校完成了大量科研原位分析工作，开展了包括高温合金，钛合金，不锈钢，结构钢、铝合金等金属材料及仿生复合材料的断裂机理分析工作。该设备的优势在于可通过实时观察材料在单向或交变载荷下的疲劳裂纹扩展或组织转变过程，帮助科研人员分析材料在室温和高温下的变形和疲劳开裂机理，对材料抗疲劳性能的优化提供支持，还能够更直观的分析材料在温度和应力共同作用下的组织转变过程。在高温原位测试方面，课题组开展了发动机铸造铝合金活塞在热暴露过程中的组织转变过程，还开展了燃气轮机高温涂层在韧脆转变区间的开裂机理分析工作。 此外，课题组自行设计夹具，改变加载方式，通过实时记录裂纹长度与载荷变化关系，得到仿生材料及复合材料的断裂韧性，通过改变成分和结构，研究具有最佳综合性能的材料。

图 1. 设备照片

图 2. 高温实验样品照片

图 3. 压制石墨铸铁疲劳的裂纹扩展过程及开裂机制图

通过原位疲劳试验，研究人员分析压实石墨铸铁疲劳断裂机理为：表面石墨脱粘引起裂纹，裂纹沿蠕虫状石墨簇扩展，裂纹尖端由于存在应力集中导致周围铁素体出现塑性变形。裂纹通过切割脱粘石墨颗粒间的铁素体扩展和相互连接。裂纹切过整个铁素体区后形成主裂纹，当主裂纹切穿珠光体时，出现最终断裂。

参考文献：Qiu Y, Pang J C, Zou C L, et al. Fatigue strength model based on microstructures and damage mechanism of compacted graphite iron[J]. Materials Science and Engineering: A, 2018, 724: 324-329.

图 4. 高温合金涡轮盘低周疲劳裂纹扩展过程及疲劳源区的相分析

分析人员在确认重型燃气轮机涡轮盘表面微观缺陷是铸造过程中通道偏析的基础上，在原位低周疲劳试验过程中，实时观察了疲劳裂纹的萌生和扩展过程，通过观察实验后断面上疲劳源区的微观断裂特征，确定这种涡轮盘偏析区域内富钛偏析区内的Laves相和MC型碳化物会促进涡轮盘表面疲劳裂纹的萌生过程。

参考文献：Zhang H Y, Qu S, Dong C, et al. Characterization and cause analysis of the “bright spots” on the surface of a GH2674 large-size gas turbine disk[J]. Engineering Failure Analysis, 2022, 140: 106559.

图 5. 3D打印铝合金缺陷的变形行为

研究人员利用原位扫描电镜，实时观察了3D打印4种形态的缺陷在拉应力作用下的变形情况，得出缺陷演变与缺陷的几何形状和轴向方向有关：圆形缺陷的变形能力有限，而与轴向加载方向垂直的裂纹缺陷在拉应力作用下会变宽，半圆形熔池界面附近的裂纹状缺陷倾向于沿该界面扩展。

参考文献：Ben D D, Ma Y R, Yang H J, et al. Heterogeneous microstructure and voids dependence of tensile deformation in a selective laser melted AlSi10Mg alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2020, 798: 140109.

图 6. 新型义齿材料的微观裂纹扩展形貌及断裂韧性评价

研究人员研发的新型义齿材料微观上具有与天然贝壳类似的组织结构，氧化锆以片层形式平行排列或以“砖墙”形式紧密堆叠，其间的空隙以树脂填充。课题组自行设计夹具，改变加载方式，通过原位扫描电子显微观察记录裂纹扩展长度，基于非线性弹性断裂力学通过公式计算材料的J积分，并转换为与J积分相对应的有效应力强度因子评价材料的的断裂韧性，研究人员得到高韧性和高损伤容限的复合材料。

参考文献：Tan G, Zhang J, Zheng L, et al. Nature-Inspired Nacre-Like Composites Combining Human Tooth-Matching Elasticity and Hardness with Exceptional Damage Tolerance[J]. Advanced Materials,2019,31(52):1904603.DOI:10.1002/adma.201904603.

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