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晶界在金屬晶體材料中分布廣泛，對(duì)金屬材料各項(xiàng)力學(xué)性能具有重要影響，其中晶界可以強(qiáng)化材料，但界面處應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致疲勞損傷開(kāi)裂。1984年日本東北大學(xué)Watanabe教授提出晶界設(shè)計(jì)（GBD: Grain-boundary Design）和晶界工程（GBE: Grain-boundary Engineering）的概念，希望通過(guò)在延性多晶體中引入性能好的界面來(lái)提高材料的綜合性能，這為通過(guò)調(diào)控晶界類(lèi)型和分布來(lái)設(shè)計(jì)高性能材料提供了新的思路。 

　　為了揭示各種不同晶界對(duì)金屬材料疲勞損傷機(jī)制的影響，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所張哲峰研究員團(tuán)隊(duì)前期借助于銅雙晶體對(duì)各種大角晶界和小角晶界疲勞開(kāi)裂機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究（Zhang ZF and Wang ZG, Prog. Mater. Sci. 53 (2008) 1025-1099）。鑒于孿晶界面與位錯(cuò)交互作用的特殊性，孿晶界面是否具有較高的疲勞抗力值得期待。然而，由于含有孿晶界面大塊樣品制備困難，對(duì)孿晶界面疲勞開(kāi)裂機(jī)制的認(rèn)識(shí)十分有限。過(guò)去十余年，張哲峰團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制備了含有不同生長(zhǎng)孿晶界面大塊銅雙晶體，同時(shí)，開(kāi)展了大量含有退火孿晶界面銅及銅合金多晶體的疲勞研究。近期，孿晶界面疲勞損傷開(kāi)裂機(jī)制的研究進(jìn)展受邀發(fā)表在材料科學(xué)綜述刊物Progress in Materials Science上，其中李琳琳為論文第一作者，張振軍項(xiàng)目研究員和張哲峰研究員為論文通訊作者。本文對(duì)孿晶界面疲勞開(kāi)裂機(jī)制的新認(rèn)識(shí)如下： 

　　雙晶共格孿晶界面疲勞開(kāi)裂機(jī)制：共格孿晶界面與加載軸的夾角決定了兩側(cè)晶粒內(nèi)開(kāi)動(dòng)的主滑移系，對(duì)其界面疲勞損傷機(jī)制起決定性作用。當(dāng)共格孿晶界面與加載軸成20°-70°時(shí)，受附加應(yīng)力及特殊位錯(cuò)滑移的影響，滑移帶易于集中在共格孿晶界面附近，因而疲勞裂紋優(yōu)先沿共格孿晶界面萌生和擴(kuò)展（如圖1（II-IV）所示）；而當(dāng)共格孿晶界面近似平行或垂直于加載軸時(shí)，滑移帶或完全穿過(guò)共格孿晶界面，或因取向較硬受限與界面附近，塑性變形主要集中于晶內(nèi)滑移帶處，使滑移帶優(yōu)先萌生疲勞裂紋（如圖1(I)、(V)所示）。 

　　雙晶非共格孿晶界面疲勞開(kāi)裂機(jī)制：非共格孿晶界疲勞開(kāi)裂也表現(xiàn)出一定的取向性，當(dāng)非共格孿晶界垂直于加載軸時(shí)（圖2(a,b)），孿晶界面兩側(cè)晶粒內(nèi)位錯(cuò)滑移方向相同但滑移面相交，位錯(cuò)易于在非共格孿晶界處塞積而優(yōu)先疲勞開(kāi)裂；當(dāng)非共格孿晶界平行或傾斜于加載軸一定角度時(shí)（圖2(c,d)），界面兩側(cè)位錯(cuò)滑移可以穿過(guò)非共格孿晶界，并且非共格孿晶界面自身可發(fā)生遷移，因而非共格孿晶界處應(yīng)變相容性較好，此時(shí)，滑移帶優(yōu)先發(fā)生疲勞開(kāi)裂。 

　　多晶體孿晶界面疲勞開(kāi)裂機(jī)制：多晶體疲勞過(guò)程中孿晶界附近應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，與雙晶中孿晶開(kāi)裂稍有不同。團(tuán)隊(duì)利用原創(chuàng)的晶體滑移形貌定取向方法，對(duì)不同成分或?qū)渝e(cuò)能的銅合金多晶體中孿晶界疲勞開(kāi)裂行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：銅合金的層錯(cuò)能越低，孿晶界兩側(cè)的取向差越大，位錯(cuò)越容易在孿晶界處產(chǎn)生塞積，因而孿晶界越容易疲勞開(kāi)裂，反之，則是滑移帶更容易疲勞開(kāi)裂。通過(guò)提煉晶體取向Schmid因子差和合金層錯(cuò)能，結(jié)合位錯(cuò)塞積理論，建立了層錯(cuò)能和取向?yàn)閰?shù)的孿晶界面疲勞開(kāi)裂定量判據(jù)（圖3）。 

　　結(jié)合對(duì)大、小角晶界疲勞開(kāi)裂行為的前期研究結(jié)果，可以給出各種不同晶界疲勞開(kāi)裂阻力從大到小順序?yàn)椋盒〗蔷Ы纾緦\晶界＞大角晶界，其中孿晶界面疲勞開(kāi)裂阻力取決于兩側(cè)晶體取向差和合金層錯(cuò)能大小。當(dāng)孿晶界面對(duì)兩側(cè)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙較強(qiáng)時(shí)，會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生明顯的強(qiáng)化作用，孿晶界面容易發(fā)生疲勞開(kāi)裂，因此接近于大角晶界特征；當(dāng)孿晶界面對(duì)兩側(cè)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙較小時(shí)，孿晶界面不容易發(fā)生疲勞開(kāi)裂，但對(duì)材料也幾乎不產(chǎn)生強(qiáng)化作用，因此與小角晶界作用相似（圖4）。 

　　上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大、杰青、重點(diǎn)和面上項(xiàng)目的長(zhǎng)期資助（50571104、50625103、50890173、51171194、51471170、51501197）以及中國(guó)科學(xué)院青年促進(jìn)會(huì)（2021192）項(xiàng)目及教育部科研業(yè)務(wù)費(fèi)的資助。

圖1 銅雙晶體共格孿晶界與加載軸呈不同傾角時(shí)對(duì)應(yīng)的疲勞損傷機(jī)制。

　　圖2 銅雙晶體中非共格孿晶界與加載軸呈不同傾角時(shí)疲勞損傷行為。界面垂直于加載軸時(shí)(a) 界面疲勞裂紋與(b)主滑移系；界面傾斜一定角度時(shí)(c)主滑移系與(d)滑移帶裂紋。

圖3 層錯(cuò)能和晶體取向?qū)︺~合金多晶體滑移帶與孿晶界疲勞開(kāi)裂轉(zhuǎn)變機(jī)制的協(xié)同影響。

　　圖4 大角晶界、孿晶界、小角晶界低周疲勞損傷開(kāi)裂難易程度比較。