ScienceAdvances重要论文，显微断层扫描在断裂过程中的损伤演变

金属及其合金最常用作工程结构材料，因为它们提供了强度和韧性的出色组合 。据估计，基础设施的意外故障每年在美国造成数十亿美元的经济损失，在全球范围内造成数万亿美元的损失 。因此，材料的抗断裂和抗疲劳性是结构设计和管理桥梁、管道、汽车、飞机、船舶、发电厂等基础设施完整性的基本材料特性之一，构成社会的“基础设施支柱”。

抗断裂性的一个典型度量是断裂韧性，它代表在初始或有限裂纹扩展点处产生新的裂纹表面积所需的能量。脆性材料无法维持稳定的裂纹扩展，而延展性材料（包括许多结构金属）可能能够在灾难性失效之前显着扩展裂纹 。材料的韧性源于材料微观结构对裂纹尖端附近的极端应力或裂纹尖端-微观结构相互作用的响应——导致损伤演变（即固有韧性）或裂纹驱动力的改变（即外在韧性）。在材料科学中，在实现更高强度与更高韧性之间存在挑战。为了克服这一挑战，了解裂纹尖端微观结构的相互作用是基础；因此，研究有助于阐明在给定系统中起作用的增韧机制，从而能够设计新材料。该知识库对于开发基于物理的模型来管理结构的完整性和可靠性也至关重要。

在这项工作中，科学家研究了钢夹杂物微观结构作为具有硬质第二相的延性基体的代表系统，以使用单边缺口张力 (SENT) 试样在断裂过程中了解 FPZ 中裂纹尖端-微观结构的相互作用。来自美国埃克森美孚研究所的Thirumalai Neeraj 等人以“Damage evolution during fracture by correlative microscopy with hyperspectral electron microscopy and laboratory-based microtomography”为题于2022年4月6日发表在著名学术期刊Science Advance上。

图1. CM 工作流程

金属断裂过程中的损伤演变是决定社会所依赖的基础设施的可靠性和完整性的关键因素。研究人员通过开发将高分辨率高光谱电子显微镜与实验室 X 射线显微断层扫描 (XMT) 相结合的相关显微镜框架来解决这一差距，并将其应用于研究钢夹杂物系统中的断裂机制。

图2. 样品 A 断裂试验过程中应变和应变率的 DIC 分析。(A) 样品 A 的角向方向显示的 DIC 获得的峰值力处的应变场（裂纹开口方向），右侧有裂纹 和左侧的试样背面（虚线表示角分离侧和背面）。(B) 峰值力处的应变率场（在裂纹开口方向）。应变率场突出了 TSRBs 的出现，这些 TSRBs 被认为与微观结构中沿弱方向的潜在微裂纹相对应。应变场代表了迄今为止应变率场的累积，混合了多个此类 TSRB 的贡献

实验观察到损伤成核和生长是不均匀和各向异性的。观察到抗断裂性受夹杂物分布和夹杂物贫化区的尺寸尺度的控制。此外，我们的研究表明，实验室 XMT 可以通过大视场在钢等致密金属中表征微米级的损伤，为基于同步加速器的断层扫描提供更容易获得的替代方案。所提出的框架提供了一种广泛采用相关显微镜来研究降解现象并有助于加速发现新材料解决方案的方法。

图3. 样品 D 中的损伤演化和断裂行为分析以及所研究钢的代表性夹杂物显微组织

总之，研究人员开发了一个将高分辨率高光谱 SEM 与基于实验室的 XMT 相结合的 CM 框架，并将其应用于钢夹杂物体系中的断裂机制研究。我们观察到损伤成核和生长是不均匀和各向异性的。观察到抗断裂性受微观结构因素的控制，例如夹杂物分布和夹杂物贫化区的尺寸尺度。因此，我们再次证明，L-XMT 系统可以表征致密材料（如钢）的微米级损伤，其大视野足以扫描整个全尺寸断裂试样，空间分辨率为 5 到 6 微米。此外，我们表明此类 CM 研究不必局限于同步加速器设施。这项工作中开发的方法可用于研究材料的渐进性损伤，这些损伤可能由多种不同的退化现象引起，如蠕变、氧化、断裂和疲劳。L-XMT 有望极大地加速新材料的发现和开发以及材料系统的建模，尤其是在与 CM 框架中的电子成像模式相结合时。

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