材料科学：ナノ双晶金属の履歴に依存しない繰り返し応答

金属性の部品や構造物の使用中の破損の90％近くは、使われる材料の引張強度よりはるかに低い繰り返し応力振幅での疲労によって起こる。一般的に金属は、繰り返し変形時に微細構造が累積的で不可逆的な損傷を多大に受けることにより、不安定（硬化または軟化）で履歴依存性の繰り返し応答を生じる。疲労寿命を予測する線形累積損傷則などの既存の法則では、荷重履歴の影響は考慮されていないが、工学部品は、例えば乱気流中の航空機の翼のように、振幅、平均値、周波数が変化する複雑な繰り返し応力を受けることが多い。従って、現実的な負荷スペクトル下での繰り返し挙動と疲労寿命を予測することは、一般的に非常に困難である。本論文では、銅の引張強度より低い応力振幅での、原子論的シミュレーションと変動ひずみ振幅の繰り返し荷重実験を通して、高度に配向したナノスケールの双晶を含むバルク銅試料における、履歴に依存しない安定した繰り返し応答について報告する。我々は、この通常とは異なる繰り返し挙動が、隣接する双晶の複数の短い成分転位がネックレスの環のようにつながって構成される、一種の相関「ネックレス」転位によって支配されていることを実証する。ナノ双晶の傾きが荷重軸の約15°以内であれば、繰り返し荷重の下で、こうした転位が高度に配向したナノ双晶構造内に形成され、双晶境界の安定性と可逆的な損傷を保つのに役立つ。この繰り返し変形の機構は、単結晶金属、粗粒金属、超微細粒金属、ナノ結晶粒金属における不可逆的な微細構造損傷を伴う従来のひずみの局所化機構とは異なるものである。

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