金属在热与振动刺激下原位裂纹愈合的动态调控

《Applied Materials Today》：Dynamic control of in situ crack healing in metals under thermal and vibrational stimuli

　　

分子动力学（MD）揭示了金属中原位裂纹愈合的关键机制。临界愈合温度与关键材料属性及原子扩散势垒相关。裂纹几何形貌通过迁移距离与驱动力梯度控制愈合动力学。外部振动降低愈合温度并促进宽裂纹中的原子迁移。频率选择性愈合源于振动时间尺度与原子迁移时间尺度的匹配。

研究背景与立项依据

微裂纹在金属材料服役过程中受机械载荷、热循环或辐照作用而形成，裂纹尖端的应力集中降低材料韧性并加速断裂失效。传统焊接、填充或表面重熔等修复方法成本高、难以作用于内部微裂纹且会中断部件服役。相比之下，金属在热激活条件下的内部裂纹原位愈合具备提升结构可靠性的潜力，但既有实验与连续介质模型对原子迁移、缺陷演化与局部结构重构的认知有限，且缺乏统一框架；宽裂纹仅靠热激活往往不足，需额外驱动机制。为此，研究人员在《Applied Materials Today》发表工作，采用分子动力学模拟，系统考察六种金属（W、Pt、Fe、Cu、Al、Pb）在矩形与抛物线形裂纹几何下，耦合热场与周期振动场的原位愈合行为，并结合同位素第一性原理计算，阐明材料属性、裂纹形貌与外部动态调控的耦合作用。

主要技术方法

研究人员构建约218×97×115 ?3的模拟胞元（含约10?原子），裂纹方向（z）采用周期性边界、x–y面为自由表面；设置矩形裂纹（开口5 ?、长60 ?）与抛物线形裂纹（中心5 ?至尖端1 ?）两种形貌，体系先用NVT系综平衡50 ps再转入NVE系综。势函数采用MEAM（Modified Embedded Atom Method）。温度扫描298–1873 K（步长100 K）。外部振动以位移驱动u(t)=A sin(2πft)施加于驱动层（A=1.0 ?，f=0.1–1.0 ps?1即0.1–1.0 THz）。愈合判据取残余裂纹开口宽度Δy近零且稳定。声子态密度（PDOS）由速度自相关函数获得；扩散激活能Q由空位形成能加迁移势垒经CI-NEB（Climbing Image Nudged Elastic Band）在VASP/PAW/PBE下求得；表面能由slab与bulk能量差计算；Fe体系做5次独立随机初速度重复模拟并以拉伸峰值应力验证键合恢复。

研究结果

3.1 裂纹愈合的验证

研究人员以Fe为代表，定义Δy稳定近零为几何闭合判据，结合5次独立模拟统计、愈合后原子连通性重建及单轴拉伸峰值应力介于原始与开裂态之间，确认愈合不仅是几何闭合而是界面键合与承载恢复；Fe临界愈合温度Tc=973 K，与已有原位透射电镜（TEM）观察一致，验证模拟可靠性。

3.2 本征材料属性

六种金属矩形裂纹Tc依次为W 1873 K、Pt 1373 K、Fe 973 K、Cu 973 K、Al 473 K、Pb 298 K，均满足同源温度Tc/Tm?0.5。扩散激活能Q与Tc强正相关（R2=0.942），W最高、Pb最低；同元素bcc-Fe的Q（≈3.17 eV）高于fcc-Fe（≈2.89 eV）致Tc更高。电子功函数（EWF）仅作辅助关联。升温致声子软化，低频模（0–20 THz）增强降低有效迁移势垒，Arrhenius跳跃频率Γ=Γ?exp(?Q/K_BT)增大；裂纹存在本身也因配位数下降、k_eff减小致局部PDOS低频化，热软化与裂纹局域软化协同促愈合。

3.3 裂纹几何效应

抛物线裂纹除Fe外Tc均低于矩形且愈合更快（如Pt矩形1373 K/36 ps，抛物873 K/4 ps；Fe例外与BCC→FCC相变及磁性有关）。抛物尖端正曲率大，Gibbs–Thomson关系u=u?+γΩk使尖端化学势高、驱动力梯度持续，原子由两端向中心迁；矩形开口均匀、中部低曲率簇团使化学势梯度弱，靠长程扩散自中向两端闭。几何形貌通过曲率—化学势—扩散路径控制动力学。

3.4 外部振动刺激

针对矩形裂纹在5/7/9 ?宽度加周期振动，振动使Tc大幅下降，宽裂纹受益更显（W 5 ?裂纹Tc由1873 K降至298 K；Fe、Cu宽裂纹无振不愈合、加振可闭）。有效扩散势垒Q_eff=Q?ΔQ(f,A)；当振动频率匹配原子迁移特征时间尺度时出现频率选择性愈合，宽裂纹中振动助原子跨隙迁移。

讨论与结论翻译

讨论指出，温度是第一主控参量但受材料/几何制约，宽裂纹需振动补充驱动；振动通过动态调制局域势能面与匹配时间尺度降低势垒。结论：分子动力学揭示金属原位裂纹愈合关键机制；临界愈合温度与扩散激活能及表面能等相关；抛物形貌因曲率驱动优于矩形；外部周期振动可降低Tc并促进宽裂纹原子迁移；频率选择性愈合来自振动与原子迁移时间尺度匹配。该工作为金属构件原位自愈合的原子尺度设计与工程调控提供依据。