中國科學(xué)院金屬研究所成立于 1953 年，是新中國成立后中國科學(xué)院新創(chuàng)建的首批研究所之一創(chuàng)建者是我國物理冶金學(xué)家李董先生。金屬研究所是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域國內(nèi)并具有重要國際影響的研究機(jī)構(gòu)，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(fù)合材料、陶瓷等結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)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(lǐng)域，開展材料的成分設(shè)計、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料力學(xué)行為的基礎(chǔ)性研究，探索各種結(jié)構(gòu)材料在變形與斷裂過程中出現(xiàn)的力學(xué)問題，揭示其變形與斷裂機(jī)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(xué)性能的新理論或新方法，為其工程應(yīng)用提供實驗證據(jù)和理論指導(dǎo)，以促進(jìn)結(jié)構(gòu)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(jìn)了島津Servopulser高溫原位疲勞試驗機(jī)，配合JSM-6510電子顯微鏡使用。該設(shè)備已運行9年，目前運行狀態(tài)良好。管理人員使用這臺設(shè)備幫助金屬所多個課題組和國內(nèi)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(jié)構(gòu)鋼、鋁合金等金屬材料及仿生復(fù)合材料的斷裂機(jī)理分析工作。該設(shè)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(kuò)展或組織轉(zhuǎn)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(jī)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(yīng)力共同作用下的組織轉(zhuǎn)變過程。在高溫原位測試方面，課題組開展了發(fā)動機(jī)鑄造鋁合金活塞在熱暴露過程中的組織轉(zhuǎn)變過程，還開展了燃?xì)廨啓C(jī)高溫涂層在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)間的開裂機(jī)理分析工作。 此外，課題組自行設(shè)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(guān)系，得到仿生材料及復(fù)合材料的斷裂韌性，通過改變成分和結(jié)構(gòu)，研究具有綜合性能的材料。
圖 1. 設(shè)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(kuò)展過程及開裂機(jī)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(jī)理為：表面石墨脫粘引起裂紋，裂紋沿蠕蟲狀石墨簇擴(kuò)展，裂紋尖端由于存在應(yīng)力集中導(dǎo)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(kuò)展和相互連接。裂紋切過整個鐵素體區(qū)后形成主裂紋，當(dāng)主裂紋切穿珠光體時，出現(xiàn)斷裂。
參考文獻(xiàn)：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(kuò)展過程及疲勞源區(qū)的相分析
分析人員在確認(rèn)重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪盤表面微觀缺陷是鑄造過程中通道偏析的基礎(chǔ)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(kuò)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(nèi)富鈦偏析區(qū)內(nèi)的Laves相和MC型碳化物會促進(jìn)渦輪盤表面疲勞裂紋的萌生過程。
參考文獻(xiàn)：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(yīng)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(guān)：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(yīng)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(kuò)展。
參考文獻(xiàn)：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(kuò)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(jié)構(gòu)，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(shè)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(kuò)展長度，基于非線性彈性斷裂力學(xué)通過公式計算材料的J積分，并轉(zhuǎn)換為與J積分相對應(yīng)的有效應(yīng)力強(qiáng)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(fù)合材料。
參考文獻(xiàn)：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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