金属疲劳裂纹能自愈？科学家首次实现了这一科幻情节

本文来自微信公众号：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

我们听闻过不少由金属疲劳造成的灾难。为了防范这一问题，我们每年都要投入大量人力物力，却还是难以完全杜绝。那种可以自愈的金属材料仿佛只有在科幻作品中才会出现，或者是反派掌握了这种材料，导致主人公们屡屡受挫，又或者是机缘巧合获得了这种材料，才使得主人公们可以绝处逢生。而现在，科学家们将这一科幻情节变为现实了。

文 | 闻静

金属疲劳的“难”和“痛”

金属在加工或使用的过程中，难免会存在一些缺陷，比如内部有杂质或孔洞、表面有划痕，这些缺陷都是极细微的，难以用肉眼观察。如果给金属施加一个不变的拉力，并不会导致金属产生裂缝；但如果给金属施加一个反复变化的力，一会儿是拉力一会儿是压力，就会导致部分能量转换成热，积累在金属内部，一旦超过某个限度，就会造成金属缺陷处附近原子间的化学键断裂，甚至金属构件开裂。这就是金属疲劳的产生过程。

由于金属疲劳是较小的外力反复长期作用的结果，金属在开裂前基本没有明显的变形，因此往往很难提前发现金属的疲劳。有时候一个细小的裂缝就会造成灾难性的后果，很难防范。历史上发生过许多由金属疲劳造成的惨剧，并且这些事故通常是以一种匪夷所思的形式发生的。

1998 年，德国一列高速行驶的动车因车轮轮箍疲劳断裂而脱轨，造成 100 余人死亡。

2002 年，由于飞机上一块修补过的蒙皮发生了严重的金属疲劳开裂，一架波音 747 客机在从台湾飞往香港的途中解体坠毁，造成包括机组成员在内共 225 人不幸罹难。

2007 年，因飞机上的一根金属纵梁发生了疲劳，美国空军的一架 F-15 战斗机在模拟空战时机头突然断裂。

2011 年，由于铁轨的疲劳裂纹，一列客运列车在山西太原翻出轨道，造成至少 19 人死亡和 141 人受伤。

2018 年，由于金属构件发生了裂纹和变形，一座设计新颖、注重安全性的行人桥在美国佛罗里达国际大学附近突然坍塌，导致至少 6 人死亡。

金属疲劳只能防范不能逆转？

在加工和使用金属零件时，合理设计零件结构，尽量降低零件应力集中，提高表面光洁度、远离腐蚀环境，能有效减少疲劳的发生。

虽然有针对金属疲劳的预防措施，但是现在人们普遍认为金属疲劳产生的裂缝是不可逆的，只会越来越大。甚至科学家在制定一些用来描述裂纹生长的基本方程时，都是直接排除了金属自愈过程的可能性。

但是，7 月 19 日，发表于《自然》（Nature）的一篇研究显示，科学家实现了金属中的疲劳裂纹自修复。这是科学家首次观察到金属自愈，表明了对金属内部结构进行设计，不仅可以预防疲劳裂纹的出现，还可以促进裂纹愈合。

在本次研究中，科学家对 40 纳米厚的铂箔进行反复拉动（200 次 / 秒），以观察疲劳裂纹的产生和扩展。但意外的是，在实验进行到 40 分钟时，科学家观察到了疲劳裂纹开始自主愈合。继续对铂箔进行反复拉动，科学家观察到初始的疲劳裂纹逐渐消失，并且裂纹开始向新的方向生长 —— 这表明之前的裂纹确实已经愈合。

科学家将观察到的这一过程描述为由局部应力状态和晶界迁移共同诱发的裂纹侧面冷焊（cold welding）。冷焊是一种冶金过程，即当两个相对光滑和洁净的金属表面接触时，会重新形成化学键。

这一发现是惊人的，对疲劳响应的解释和抗疲劳材料的设计具有重要意义，对工程师如何设计和评估结构材料疲劳寿命的最基本理论提出了挑战。

虽然这一冷焊过程还不可控，且现阶段只能在铂和铜这两种金属中观察到，但在本研究中观察到的晶界变化具有启发意义，科学家预计还有无数其他微结构配置也会产生类似的效果。

参考文献：

• Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding | Nature

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