通过大体积样品的高分辨率3D成像揭示金属的疲劳开裂机制

国家材料科学研究所(NIMS)的研究小组确定了金属中微观疲劳裂纹生长的机制，解开了半个世纪之久的谜团。研究小组通过大体积样品的三维成像发现，这些裂纹沿着金属晶体的滑移面生长。大多数裂缝被发现是由剪切力而不是以前认为的拉力引起的。

金属在反复受到外力作用后会发生疲劳断裂。由于这种类型的压裂是机器故障的主要原因，因此通过研究了解其机理非常重要。在疲劳金属最终断裂之前，微观裂纹会在疲劳金属中产生并生长。五个多年前就确定了疲劳寿命早期和晚期(即裂纹变大时)的裂纹扩展机制。然而，微观裂纹在中间疲劳阶段生长的机制一直不清楚，尽管这代表了疲劳寿命的大部分。难以观察到约200μm长的裂纹是原因之一。

该研究团队最近开发了一种基于电子显微镜的分析技术，能够对大体积金属样品(比使用传统方法可观察到的体积大100倍)进行高分辨率三维晶体成像。这是首次对长度约为200μm的疲劳裂纹进行高分辨率三维成像。这是通过将该技术应用于为飞机发动机开发的耐热超级合金而实现的。该团队对大样本的这张图像进行了分析，并定量确定了裂纹扩展路径与晶体取向之间的关系，从而发现了一种不同于传统假设机制的裂纹扩展机制。

金属材料的疲劳寿命管理和预测是基于已知的疲劳断裂机制进行的。更详细地了解这些机制将提高此类预测的准确性——这对于开发和实际使用更安全的飞机材料尤其重要。这项研究的结果可能有助于提高日本制造合金的可靠性并促进其实际应用。