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摘要： 綜述了近年來(lái)金屬材料內(nèi)部裂紋愈合研究在愈合方法、愈合過(guò)程形態(tài)演化、愈合影響因素、愈合機(jī)理、愈合形態(tài)演化過(guò)程的擴(kuò)散熱力學(xué)分析及數(shù)值模擬方面的進(jìn)展。針對(duì)目前側(cè)重于高溫愈合，提出應(yīng)對(duì)中溫愈合進(jìn)行研究;針對(duì)目前研究很少涉及內(nèi)部因素的現(xiàn)狀，指出應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其研究，尤其應(yīng)加強(qiáng)合金元素對(duì)裂紋愈合的研究。對(duì)以非平衡熱力學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)行金屬材料內(nèi)部裂紋愈合研究作了展望。
關(guān)鍵詞： 金屬;內(nèi)裂紋;愈合;非平衡熱力學(xué)
1．引言
金屬材料在制備、加工成形及使用過(guò)程中，不可避免地產(chǎn)生內(nèi)部或表面的微小缺陷。微缺陷的存在與擴(kuò)展，是使構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、韌性下降或剩余壽命降低的原因；在一定的外部因素（載荷、溫度變化以及腐蝕介質(zhì)等）作用下，這些缺陷會(huì)不斷擴(kuò)展和合并，形成宏觀(guān)裂紋。裂紋繼續(xù)擴(kuò)展后，最終可導(dǎo)致構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的斷裂破壞。近期的研究工作[1~8]表明，對(duì)目前大量使用的傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)材料而言，通過(guò)改變環(huán)境條件促使其內(nèi)部物質(zhì)遷移與結(jié)構(gòu)重排，使裂紋逐步愈合并進(jìn)而引起性能恢復(fù)，是延長(zhǎng)金屬材料使用壽命，確保其安全使用的現(xiàn)實(shí)有效的途徑。
金屬材料裂紋愈合是指通過(guò)采取相應(yīng)的措施使已經(jīng)失去原子間作用力的界面重新恢復(fù)作用力的過(guò)程，這是一個(gè)十分復(fù)雜的、前沿性、多學(xué)科相互交叉的問(wèn)題。這一問(wèn)題的研究工作將涉及金屬材料學(xué)、損傷理論、斷裂力學(xué)、熱力學(xué)和材料加工等學(xué)科。
目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在物理模擬、計(jì)算機(jī)模擬及理論方面，對(duì)金屬材料內(nèi)裂紋的愈合進(jìn)行了一系列的研究，取得了顯著的成效。
2．金屬材料內(nèi)部裂紋愈合的物理模擬
隨著對(duì)金屬材料內(nèi)裂紋愈合研究的不斷深入，在物理模擬試樣的制備方法、愈合方法、愈合過(guò)程形態(tài)演化、愈合控制因素、愈合機(jī)理及其應(yīng)用等方面，取得了一定的研究進(jìn)展。
2.1 金屬材料內(nèi)裂紋試樣制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀
在金屬材料內(nèi)部裂紋愈合問(wèn)題的研究中，制備含有內(nèi)部裂紋試樣是基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性的工作。目前人們使用的試樣制備技術(shù)有鉆孔壓縮法[1]、平板撞擊法[4]、氫腐蝕法[9]和疲勞實(shí)驗(yàn)法[10]等。方法不同，制備出的內(nèi)裂紋的形式也不同。可以根據(jù)具體研究?jī)?nèi)容，選擇適當(dāng)?shù)脑嚇又苽浼夹g(shù)。
2.2 金屬材料內(nèi)裂紋愈合方法的研究現(xiàn)狀
材料裂紋愈合的方法大致可歸納為物質(zhì)補(bǔ)給和能量補(bǔ)給兩種。從已進(jìn)行的一些研究來(lái)看，對(duì)于普通金屬材料中的裂紋，實(shí)現(xiàn)愈合采用的方法主要是外部能量補(bǔ)給。
目前研究金屬材料愈合方法采用的外部能量補(bǔ)給形式主要有加熱與施加電流脈沖兩種方式，如果考慮到有塑性變形的情形，則還包括機(jī)械能的注入。其中加熱又包括常規(guī)加熱、微波加熱及激光加熱等方式。
2.2. 1加熱
文獻(xiàn)[11]研究了冷變形后金屬塑性容限的恢復(fù)。指出金屬冷變形后會(huì)出現(xiàn)微觀(guān)上的不連續(xù)，即所謂的損傷。退火處理可用于恢復(fù)塑性容限和避免損傷。微觀(guān)不連續(xù)引起構(gòu)件疲勞壽命的降低。該文對(duì)采用常用熱處理方法和非常規(guī)熱處理的方法（三面軸向壓縮變形）對(duì)恢復(fù)構(gòu)件的塑性容限和增加構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，金屬中的微觀(guān)損傷出現(xiàn)了愈合，并可應(yīng)用于實(shí)踐。
文獻(xiàn)[12]利用衍射技術(shù)研究了鋁拉伸變形退火過(guò)程中微裂紋（100nm）長(zhǎng)大與在退火過(guò)程中的愈合。結(jié)果顯示，微裂紋長(zhǎng)大主要出現(xiàn)在變形初期的試樣表層，缺陷層的厚度隨著變形程度的增加而加大，退火處理后微裂紋立刻開(kāi)始愈合，表層寬10μm的微裂紋愈合依據(jù)空位擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行。
李曉剛[9]對(duì)含氫腐蝕甲烷氣泡和裂紋的304不銹鋼進(jìn)行了600℃、360min的熱處理。SEM觀(guān)察表明，氫蝕氣泡和裂紋發(fā)生了完全愈合，氫蝕氣泡和裂紋的愈合機(jī)制是熱擴(kuò)散。Fe和C在奧氏體中的快速擴(kuò)散是304不銹鋼中氫蝕裂紋自愈合的必要條件。
