細化晶粒通常會提高強度，但是會降低材料的韌性，減小裂紋尖端的塑性區。本文研究了納米晶、超細晶、粗晶三種晶粒尺寸材料的疲勞過載行為，發現晶粒尺寸起重要作用，為材料的設計提供了新的思路。比如納米梯度金屬材料，納米層提供高強度并具有抗裂紋和耐磨性，而粗晶粒層則有助于提高延展性和抗裂紋擴展性。
疲勞性能是承重部件和結構的最重要特性之一。眾所周知，疲勞裂紋擴展（FCG）由應力范圍和平均應力決定。塑性引起的裂紋閉合和殘余應力被認為是疲勞過載延遲現象的主要原因。材料科學家長期努力尋求在不顯著降低延展性和韌性的情況下增強材料的方法，但是這些設計通常彼此矛盾。納米晶材料由于其極高的強度，疲勞壽命和耐磨性而受到關注。這些優越的性能引起了人們對各種結構和功能應用的極大興趣（例如在航空航天，運輸，醫療設備等行業中）。但是，細化晶粒通常會提高強度，而會降低材料的韌性，會減少裂紋尖端的塑性區。雖然對納米晶體材料的疲勞裂紋擴展已有一些研究，但是關于納米晶材料疲勞過載行為的報道很少。
英國曼徹斯特大學最近的一項研究對通過脈沖電沉積制備的納米晶（NC）的Ni進行了疲勞過載實驗，并與超細晶（UFG）和粗晶（CG）Ni進行對比分析，討論了晶粒尺寸對Ni疲勞過載行為的影響。相關論文于以題為“The effect of grain size on the fatigue overload behaviour of nickel”發表在Materials & Design。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108526
實驗過程中使用的三種不同晶粒尺寸Ni分別為NC-Ni（晶粒尺寸約為30nm）、UFG-Ni（約360nm）和CG-Ni（約30μm）。研究發現除NC-Ni外，其余尺寸Ni樣品的FCG速率在過載后不會立即延遲，在某些情況下，甚至觀察到FCG速率的瞬時加速。由于NC試樣的強度非常高，因此過載無法產生足夠大的塑性變形，這意味著塑性誘導的裂紋閉合和殘余應力效應得到了很大程度的抑制。
由于晶粒尺寸很小，材料變得更難變形，這減小了塑性拉伸和彈性變形之間的形狀失配。細小的晶粒不僅增加了材料的強度，而且減小了裂紋路徑的曲折度和斷裂表面的粗糙度。因此，納米晶樣品的晶粒尺寸最小，并且受延遲機制的影響最小。
圖1 不同晶粒尺寸試樣的裂紋SEM圖像
圖2對于裂縫開口方向裂紋尖端的應力場
另一個發現是晶粒尺寸在材料的疲勞過載行為中起重要作用。強化材料的晶粒細化會降低過載帶來的可塑性。CG-Ni的延遲距離略大于由過載引起的單調塑性區，而NC-Ni的延遲長度明顯小于其過載的向前塑性區。由于晶粒粗化（特別是在高應變或高應力下），塑性變形引起的閉合是由于裂紋尖端周圍單調和周期性塑性變形的協同作用所致。正向變形增大，而反向變形減小閉合載荷，從而減小閉合效果。對于NC和UFG情況，由于周期性軟化，反向變形在過載之后變得更加明顯。因此，就過載塑料區的延遲距離而言，與硬化材料相比，環狀軟化材料的閉合效果更小。
圖3 NC-Ni裂紋區域圖像
圖4 CG-Ni裂紋區域圖像
圖5 裂紋擴展示意圖
本文系統地研究了晶粒細化對裂紋擴展的影響，并為新材料的設計提供了新的思路，例如具有從納米級到微米級梯度的梯度金屬材料。納米層提供高強度并具有抗裂紋和耐磨性，而粗晶粒層則有助于提高延展性和抗裂紋擴展性。總的來說，與晶粒大小單一的材料相比，這種分層結構可以顯示出高強度和高韌性的優異組合。（文：破風）
