一、【導讀】  

      金屬裂紋是在金屬材料使用過程中出現的一種裂紋，它是金屬材料受到外部力量作用或疲勞破壞等因素導致的局部損傷。金屬材料通常都具有一定的延展性和韌性，但在受到過大的外部力量或長期服役后，金屬材料就容易出現裂紋。

疲勞裂紋是金屬材料在反復加載和卸載的循環載荷下產生的裂紋，主要是由于金屬材料的微觀組織和晶界的疲勞損傷導致的。疲勞裂紋的產生和擴展通常需要經歷一個很長的過程，當疲勞裂紋擴展到一定程度時，就可能引發金屬材料的失效。局部應力與晶界遷移是金屬材料中裂紋的遷移過程中的重要因素。當金屬材料受到外部應力作用時，應力會集中在裂紋尖端，導致裂紋的擴展。而晶界遷移是指在晶體結構中，因為原子的擴散運動而導致晶體的重新排列，從而使材料發生變形和裂紋的遷移。

總的來說，金屬裂紋和疲勞裂紋都是金屬材料中常見的一種損傷形式，它們的產生和擴展與金屬材料的力學性能、材料的微觀組織以及外界環境等因素有關。對于保證金屬材料的使用壽命和安全性，需要對裂紋和疲勞進行及時的檢測和修復。

                                                                                                          二、【成果掠影】

       金屬的疲勞涉及在重復機械載荷下通過裂紋的增量擴展而逐漸失效。在結構應用中，疲勞占使用中故障的90%。疲勞的預防依賴于大的安全系數和低效的過度設計的實施。在傳統的抗疲勞冶金設計中，開發微結構以阻止或減緩裂紋的發展。裂紋擴展被認為是不可逆的。相比之下，在其他材料類別中，基于潛在愈合機制和損傷逆轉的替代方案。本篇報道是純金屬在產生疲勞裂紋，可以進行內在的自我修復。直接觀察到納米級疲勞裂紋的早期進展，正如預期的那樣，裂紋前進，偏轉和捕捉在錨定的微觀結構障礙。在這里，美國桑迪亞國家實驗室和美國德克薩斯A&M大學材料科學與工程系的Michael J. Demkowicz與 Brad L. Boyce團隊，探討了裂紋通過可被描述為由局部應力狀態和晶界迀移的組合引起的裂紋側面冷焊的過程愈合。疲勞裂紋可以通過與微觀結構特征的局部相互作用在金屬中自主愈合，前提是工程師如何設計和評估結構材料疲勞壽命的最基本理論。并且還討論在各種服務環境中的疲勞的影響。該項工作以標題為：“Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding”，發表在Nature上。

                                                                                                          三、【核心創新點】

       1、模擬表明，雖然邊界遷移可以促進裂紋愈合，根本上由于不均勻的應力，這也出現在其他粗晶粒金屬沒有遷移邊界。

       2、開發了愈合對裂紋擴展影響的分析模型。裂紋愈合在兩個方面是獨特的：（1）它預測在沒有氧化的情況下增加的ΔKth，和（2）它預測低于ΔKth的負裂紋擴展速率的可能性。

                                                                                                            四、【數據概覽】

圖1. 記錄裂紋擴展、愈合和再生長關鍵階段的靜態圖像。©2023 Nature

圖2. 從動態視頻中拍攝的愈合過程的詳細觀察。©2023 Nature

                                                 圖3. 一個原子模型證實邊界遷移，裂紋側面接觸和愈合。©2023 Nature

                                                                                                       五、【成果啟示】

         在這項工作中，抗疲勞冶金內在的微觀結構特征不僅阻止疲勞裂紋，而且可以導致裂紋愈合。在透射電子顯微鏡（TEM）拉伸高周疲勞下，觀察到的疲勞裂紋的自主愈合的納米Pt。裂紋附近的三重結（TJ）被捕，隨后愈合的一個明顯的冷焊過程中恢復增長之前，沿著不同的裂紋路徑。愈合發生時，遠場循環應力保持拉伸，沒有施加壓縮，以促進焊接過程。原子級和連續級模擬表明，不均勻的局部應力和裂紋尖端附近晶界的逐漸遷移促進了這種違反直覺的行為。純金屬偶爾可以在納米級自行愈合，這對解釋疲勞響應和抗疲勞材料的設計具有重要意義。