北京工业大学材料与制造学部
工作信息
2023年第188期
《Nature Communications》体心立方金属裂纹扩展原子机制
近日，北京工业大学韩晓东教授和浙江大学张泽院士团队在BCC难熔金属裂纹扩展研究中取得重要进展。成果于2023年9月8日发表在国际顶级期刊Nature Communications上，题目为Nanoscale ductile fracture and associated atomistic mechanisms in a body-centered cubic refractory metal。北京工业大学理学部博士后卢艳和中国科学技术大学陈勇超为共同第一作者，太阳集团城网2018韩晓东教授、王立华教授、美国佐治亚理工学院朱廷教授以及清华大学机械工程系李晓雁教授为通讯作者。
具有高熔点的体心立方 (BCC) 难熔金属通常表现出高强度，但延展性和断裂韧性相对较差，严重限制BCC难熔金属的应用。揭示BCC难熔金属断裂机制对改善难熔金属断裂韧性具有重要意义。20世纪20年代，Griffith提出了线弹性断裂理论，成为纯脆性断裂的判据。随后，Rice和Thomson于20世纪70年代发展了晶体材料裂纹尖端位错成核的经典理论，通过能否激发位错来判断裂纹的扩展模式。根据该理论，BCC难熔金属中的裂纹通常情况下为脆性扩展模式。虽然也有研究者认为室温下位错的激活能会受到影响，BCC难熔金属有可能会出现韧性断裂的预测。几十年来，虽然研究者开展了大量的实验以及理论计算，但是BCC金属的断裂机制仍不清楚。实验上，之前的TEM研究大多停留在纳米尺度，以通过衍衬像观察位错线运动，缺乏原子尺度的实验证据，因此BCC难熔金属裂纹尖端位错运动和裂纹扩展行为之间的动态相互作用的原子尺度观测至今未见报道。
鉴于上述研究背景，北京工业大学韩晓东教授、王立华教授团队与浙江大学张泽院士团队、美国佐治亚理工学院朱廷教授团队、清华大学李晓雁教授团队合作，揭示了BCC Mo裂纹扩展的原子机制。利用团队原创的原位双倾力学实验装置，在原子尺度原位动态观察了BCC难熔金属裂纹扩展过程。原位原子尺度观察发现，裂纹扩展是通过裂纹尖端的位错行为与脆性断裂交替出现实现的。位错在裂纹尖端的成核、运动、相互作用会引起裂纹尖端塑性剪切和垂直于裂纹面的局部解离的交替出现。前者导致裂纹钝化和局部减薄，而后者导致裂纹扩展和锐化（图1，图2）。脆性断裂与韧性断裂交替出现的变形机制的发现给人们理解BCC金属断裂机制提供了新的认知。分子动力学模拟展现了位错自裂纹尖端发射之后的伯式矢量和滑移系的变化，发现位错在滑移过程中通过共享的<111>矢量而转变到不同的{110}滑移面上（图3）。纵观整个断裂过程，从断裂面和裂纹尖端的形貌可以观察出明显的塑性断裂和局部脆性解离的交替过程，透射电镜实验和分子动力学模拟完美吻合（图4）。
图2 高分辨透射电镜观察(010)[001]裂纹前端位错运动导致的裂纹钝化和裂纹扩展。
图3 (010)[001]裂纹尖端位错形核和运动的分子动力学模拟结果。
图4 分子动力学模拟和高分辨电镜结果揭示了(010)[001]裂纹扩展的延性-脆性混合模式。
该工作为设计和开发具有高耐久性和抗断裂性的BCC金属提供了重要参考。同时，作为体心立方金属的典型代表，金属Mo裂纹脆性扩展与塑性扩展交替出现的成功揭示将对建立更加全面的金属断裂理论提供重要参考。
该项成果得到了国家重点研发计划、北京高校卓越青年科学家计划、国家自然基金委基础科学中心、科技部创新领军人才等项目支持。
本文中研究团队采用的是北京工业大学原创的原子分辨的材料力学实验仪器。韩晓东教授团队在张泽院士带领下，发展了一系列世界原创的基于透射电镜的原子分辨原位科学实验仪器，可实现单场以及多场（包括力、热、电以及多场耦合）环境下材料结构演化过程的原子层次观测。
论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41090-3。
