近年來，新能源、人工智能及信息通訊等領(lǐng)域的快速發(fā)展使得相關(guān)器件尺寸不斷微小化，器件所用材料的特征尺度也不斷向亞微米甚至納米尺度減小。然而，這些微納米尺度材料在長期服役過程中的疲勞可靠性已成為業(yè)界關(guān)注的焦點。值得注意的是，由于受幾何尺度的限制，疲勞加載下的微納尺度金屬材料內(nèi)部無法形成如傳統(tǒng)疲勞理論認為的可引起疲勞損傷的微米尺度典型位錯組態(tài)(如位錯墻結(jié)構(gòu)等)，傳統(tǒng)疲勞理論已無法描述微納尺度金屬疲勞行為。澄清微納尺度(幾何尺度1 μm)金屬材料疲勞損傷微觀機制，建立新的疲勞理論已成為目前疲勞研究領(lǐng)域中有待解決的基礎(chǔ)科學問題之一。
 

　　近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心的張廣平團隊在前期微納尺度金屬疲勞行為研究的基礎(chǔ)上(Acta Mater. (2006)、Nat. Commun. (2014)、Mater. Res. Lett. (2017)、J. Mater. Sci. Technol. (2021)、Adv. Mater. Tech. (2022))，發(fā)現(xiàn)無典型位錯組態(tài)出現(xiàn)的微納米厚度Au薄膜仍會出現(xiàn)疲勞擠出/侵入的循環(huán)應(yīng)變局部化行為(圖1)。有趣的是，微納尺度Au薄膜的相對疲勞擠出高度是隨其幾何尺度減小而增加的，甚至比對應(yīng)塊體粗晶材料高出近兩個數(shù)量級，而其疲勞性能卻明顯優(yōu)于塊體粗晶材料。結(jié)合疲勞損傷的截面觀察和空位缺陷的表征與理論計算，該團隊揭示了微納尺度金屬疲勞過程中位錯交互作用產(chǎn)生的空位及其擴散對疲勞擠出/侵入形成的作用機理，闡明了微納尺度金屬中空位輔助疲勞擠出/侵入生長及疲勞損傷的物理機制(圖2)。這一空位主導的微納尺度金屬疲勞損傷機制的發(fā)現(xiàn)不僅將金屬疲勞理論從宏觀尺度擴展到微納米尺度，且為諸如新能源器件用復合集流體、柔性電子器件以及微機電系統(tǒng)機械部件的疲勞可靠性設(shè)計提出了一種基于空位行為調(diào)控的界面工程策略。
 

　　相關(guān)結(jié)果以“More severe surface relief but stronger fatigue resistance at small scales: vacancy-assisted fatigue damage mechanism”為題，在Acta Materialia 274 (2024) 120028上進行了詳細報道。沈陽材料科學國家研究中心的陳紅蕾博士為論文第一作者，羅雪梅項目研究員和張廣平研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、金屬研究所“引進優(yōu)秀學者”項目、中國科學院B類先導專項等項目資助。
 

　　圖1. (a)- (c) 930 nm厚Au薄膜表面疲勞擠出和侵入形貌和內(nèi)部位錯結(jié)構(gòu)，(d) 不同材料相對擠出高度值對比，包括塊體單晶、塊體多晶、微柱、薄箔和薄膜材料。

 

圖2. 從塊體向微納尺度減小的材料疲勞擠出/侵入損傷形成的微觀機制示意圖。