Science：仿骨结构“超级钢”，彻底解决金属疲劳难题
历史上由金属疲劳断裂而引发的事故屡见不鲜。如1979年，一架美国航空公司DG-10型客机上的一个连接引擎与机翼的螺栓因金属疲劳断裂而折断，导致引擎燃烧爆炸；1998年，德国一辆高速列车因车轮内部疲劳断裂而导致其在行驶中突然出轨；2007年，一架美军F-15C战斗机在空中突然解体，其原因也是由于飞机的支撑构件出现了金属疲劳断裂的问题（下图）。
美军F-15C鹰式战斗机在空中突然解体。图片来自网络。
金属材料在受到交变应力或重复循环应力时会产生微裂纹，经一定循环次数后，裂纹扩展到临界点，导致金属材料在工作应力小于屈服强度的情况下发生突然断裂，这种现象称为金属疲劳断裂（fatigue failure）。为增强金属抗疲劳的性能，人们会通过往金属里加入稀土元素或是进一步改进金属的微观结构。不过，这些方法只能改善性能却并不能解决根本问题。
日前，日本九州大学的Motomichi Koyama与美国麻省理工学院（MIT）的MeiMei Wang及Cemal Cem Tasan教授等人在Science报道了他们的进展。受启发于动物骨骼优越的抗断裂性能，通过深入研究骨骼微观构造，他们设计了同时具有多相、亚稳态和纳米层状结构三种特征的仿骨钢，其拥有极其出色的抗疲劳断裂的性能。他们还研究了这种优异性能的机理，使这种策略有望用于其他合金。
MeiMei Wang博士及Cemal Cem Tasan教授。图片来源：MIT
动物骨骼的轻、坚韧、抗断裂等特点，来自于其独特的构造。在纳米级别上，胶原纤维以分层的形式存在，不同层的纤维可以指向不同的方向。在更大的尺度上，骨骼具有晶格状的结构和不同类型的空隙。这种结构不仅使骨骼拥有轻而坚固的特性，还能确保骨骼拥有抵抗裂纹在任何一个方向上的扩展的能力。
骨骼与仿骨钢的微结构。图片来源：Science
受此启发，研究人员设想如果将骨的微观结构用于金属或合金上，是否会增强它们的抗疲劳断裂性能呢？为了证实他们的想法，他们将同时具备三种关键特征（即多相、亚稳态和纳米层状结构）的仿骨钢（Fe9Mn3Ni1.4Al），分别与只具备其中一种或两种特征的钢相比较，发现仿骨钢拥有极其出色的疲劳上限和寿命。
仿骨合金与其他几种钢的结构对比图。图片来源：Science
研究人员进一步研究了这种仿骨结构钢抗疲劳断裂的机理。他们发现相变诱导的裂纹终止（TICT）与粗糙度诱导的裂纹终止（RICT）这两种机理同时阻止了裂纹的扩展。由于存在纳米层状结构，形成的微裂纹如果要进一步扩展，只能在不同的层之间进行，这一过程需要更多能量，能大幅减少裂纹的增长。此外，仿骨钢的多相和亚稳态结构，一些区域比其他区域更具有柔韧性，通过相变可以吸收那些可能帮助微裂纹扩展的能量，甚至还可以使产生的微裂纹重新闭合。
相变（左）与粗糙度（右）诱导的裂纹终止机理。图片来源：Science
研究人员表示，这种新型的仿骨钢比传统的钢更能抵抗金属疲劳产生的裂纹，这使得工程师可以使用这些材料来构建从桥梁到航天器的所有东西，并避免由金属疲劳所引起的灾难。而且这种策略也可以用于设计其他合金，提高它们对机械疲劳的抵抗力。
