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歷久彌新，見證科學——走入中國科學院金屬研究所材料疲勞與斷裂實驗室
中國科學院金屬研究所成立于 1953 年，是新中國成立后中國科學院新創(chuàng)建的研究所之一，創(chuàng)建者是我國著名的物理冶金學家李董先生。金屬研究所是材料科學與工程領域具有重要國際影響的研究機構，是我國高性能材料研究與發(fā)展的重要基地。在高溫合金、欽合金、特種合金、鋼鐵、鋁合金、鎂合金、金屬基復合材料、陶瓷等先進結構材料領域和納米材料、碳材料、磁性材料、生物材料、能源材料等新型功能材料領域，開展材料的成分設計、結構表征、制備加工、性能測試和使役行為研究。
金屬研究所材料疲勞與斷裂實驗室主要致力于各種結構材料力學行為的基礎性研究，探索各種結構材料在變形與斷裂過程中出現(xiàn)的力學問題，揭示其變形與斷裂機理，從不同類型材料的各種破壞現(xiàn)象中，發(fā)現(xiàn)、提煉或歸納出具有普遍意義或特殊性的規(guī)律， 建立或發(fā)展評價材料變形、斷裂與力學性能的新理論或新方法，為其工程應用提供實驗證據(jù)和理論指導，以促進結構材料的研究與發(fā)展和創(chuàng)新型研究人才的培養(yǎng)。
材料疲勞與斷裂實驗室于2014年引進了島津Servopulser高溫原位疲勞試驗機，配合JSM-6510電子顯微鏡使用。該設備已運行9年，目前運行狀態(tài)良好。管理人員使用這臺設備幫助金屬所多個課題組和國內多家院校完成了大量科研原位分析工作，開展了包括高溫合金，鈦合金，不銹鋼，結構鋼、鋁合金等金屬材料及仿生復合材料的斷裂機理分析工作。該設備的優(yōu)勢在于可通過實時觀察材料在單向或交變載荷下的疲勞裂紋擴展或組織轉變過程，幫助科研人員分析材料在室溫和高溫下的變形和疲勞開裂機理，對材料抗疲勞性能的優(yōu)化提供支持，還能夠更直觀的分析材料在溫度和應力共同作用下的組織轉變過程。在高溫原位測試方面，課題組開展了發(fā)動機鑄造鋁合金活塞在熱暴露過程中的組織轉變過程，還開展了燃氣輪機高溫涂層在韌脆轉變區(qū)間的開裂機理分析工作。 此外，課題組自行設計夾具，改變加載方式，通過實時記錄裂紋長度與載荷變化關系，得到仿生材料及復合材料的斷裂韌性，通過改變成分和結構，研究具有最佳綜合性能的材料。
圖 1. 設備照片
圖 2. 高溫實驗樣品照片
圖 3. 壓制石墨鑄鐵疲勞的裂紋擴展過程及開裂機制圖
通過原位疲勞試驗，研究人員分析壓實石墨鑄鐵疲勞斷裂機理為：表面石墨脫粘引起裂紋，裂紋沿蠕蟲狀石墨簇擴展，裂紋尖端由于存在應力集中導致周圍鐵素體出現(xiàn)塑性變形。裂紋通過切割脫粘石墨顆粒間的鐵素體擴展和相互連接。裂紋切過整個鐵素體區(qū)后形成主裂紋，當主裂紋切穿珠光體時，出現(xiàn)最終斷裂。
參考文獻：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.
圖 4. 高溫合金渦輪盤低周疲勞裂紋擴展過程及疲勞源區(qū)的相分析
分析人員在確認重型燃氣輪機渦輪盤表面微觀缺陷是鑄造過程中通道偏析的基礎上，在原位低周疲勞試驗過程中，實時觀察了疲勞裂紋的萌生和擴展過程，通過觀察實驗后斷面上疲勞源區(qū)的微觀斷裂特征，確定這種渦輪盤偏析區(qū)域內富鈦偏析區(qū)內的Laves相和MC型碳化物會促進渦輪盤表面疲勞裂紋的萌生過程。
參考文獻：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.
圖 5. 3D打印鋁合金缺陷的變形行為
研究人員利用原位掃描電鏡，實時觀察了3D打印4種形態(tài)的缺陷在拉應力作用下的變形情況，得出缺陷演變與缺陷的幾何形狀和軸向方向有關：圓形缺陷的變形能力有限，而與軸向加載方向垂直的裂紋缺陷在拉應力作用下會變寬，半圓形熔池界面附近的裂紋狀缺陷傾向于沿該界面擴展。
參考文獻：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.
圖 6. 新型義齒材料的微觀裂紋擴展形貌及斷裂韌性評價
研究人員研發(fā)的新型義齒材料微觀上具有與天然貝殼類似的組織結構，氧化鋯以片層形式平行排列或以“磚墻”形式緊密堆疊，其間的空隙以樹脂填充。課題組自行設計夾具，改變加載方式，通過原位掃描電子顯微觀察記錄裂紋擴展長度，基于非線性彈性斷裂力學通過公式計算材料的J積分，并轉換為與J積分相對應的有效應力強度因子評價材料的的斷裂韌性，研究人員得到高韌性和高損傷容限的復合材料。
參考文獻：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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