金属材料裂纹愈合的研究进展与展望分析探讨

苏莹莹

摘 要：金属材料表面及内部的裂纹扩展是引起金属构件断裂失效的主要原因之一，裂纹研究一直是金属材料领域的一个重要方向。综述了近年来国内外对金属材料裂纹（表面裂纹、内部裂纹）愈合研究的进展，介绍了物质补给与能量补给的各类方法，物质补给方法主要包括钎焊法和表面筑膜法，能量补给方法主要包括加热法与施加脉冲电流法。总结了影响金属材料愈合的因素及愈合机制，并对未来金属材料的裂纹愈合研究作出了展望。

关键词：金属材料；表面裂纹；内部裂纹；裂纹愈合

引 言：根据裂纹的形成时期与产生原因，可将金属材料裂纹分为使用裂纹和工艺裂纹两大类。使用裂纹包括应力腐蚀裂纹、蠕变裂纹、疲劳裂纹及范性撕裂裂纹，工艺裂纹则包括铸造裂纹、焊接裂纹、锻造裂纹、热处理裂纹、磨削裂纹及因表面张力引起的皱裂。

表面及内部的裂纹扩展是引起金属构件断裂失效的主要原因之一，金属构件断裂后不仅完全丧失了服役能力，还可能造成巨大的经济损失及人员伤亡。因此，裂纹研究一直是金属材料领域的重要方向之一。20世纪80年代，研究人员受到材料智能化和长寿化研究工作的启发，开始了对金属材料裂纹愈合的研究工作。根据裂纹形成部位，愈合研究主要分为两个方向，即表面裂纹和内部裂纹。目前，裂纹愈合方法的研究取得了较大的进展，但对裂纹愈合机理的认识仍未形成统一的理论体系，还在不断地探索。

1 表面裂纹的愈合

金属材料表面裂纹的愈合方法大致可归纳为物质补给和能量补给两种，其中物质补给方法主要包括钎焊法与表面筑膜法，能量补给形式主要有加热与施加脉冲电流两种，当有塑性变形存在时补充机械能可辅助愈合。

1.1 物质补给方法

1.1.1 钎焊愈合法

焊接是修复材料表面裂纹最常用方法之一，其中，钎焊因其焊后变形小且接头光滑美观，应用最为广泛。钎焊法须在表面裂纹间预填入钎料，钎料一般要求与母材成分大致相同，待其高温熔化并凝固后，表面裂纹即得以修复，且必须提前清理裂纹内氧化物以保证液态钎料的顺利倾湿铺展。

1.1.2 表面筑膜愈合法

表面筑膜法最早应用于陶瓷材料的表面裂纹愈合，研究人员将其延伸到金属材料领域。

1.2 能量补给方法

1.2.1 加热愈合法

国内外愈合研究中最常见的方法是加热，主要有常规加热、电磁加热、激光加热及微波加热等方式。目前微波加热已在陶瓷材料裂纹愈合中得以应用，效果理想。对于金属材料，早期采用了常规加热法，发现升温可修复裂纹尺寸通常为微米级。针对表面宏观裂纹，人们还引入了激光及电弧放电等方法来辅助愈合，以实现更好的效果。

1.2.1 脉冲电流愈合法

瞬态高能量的输入可以延长材料使用寿命，前苏联在导电薄板内通入脉冲电流时，发现通电瞬间裂纹前缘处有热集中现象，提出了利用电磁热效应来遏制导体中裂纹扩展的可能性。热磁弹性理论解释了电磁热效应的止裂机理，电磁热止裂技术随即发展起来。此技术可快速遏制裂纹的扩展，辅助愈合过程，因此极具实用价值。

2 内部裂纹的愈合

金属材料内裂纹不同于表面裂纹，由于裂纹处于材料内部，外界物质难对其补充，因此目前内裂纹愈合的研究大多采取能量补给一种方式，依靠自身基体的原子扩散或结构重排来实现裂纹修复。内裂纹的愈合一般可分为裂纹填充和晶粒长大两个阶段，在后一阶段中晶粒长大与成分均匀化同时进行。一定的塑性变形有利于内裂纹充分填充，内裂纹的完全修复需要一定的保温时间使晶粒充分长大。目前，国内外研究较多的有高温愈合、脉冲电流愈合、热力耦合愈合和仿生自愈合等方法。

2.1 高温愈合法

目前普遍认为导致内裂纹热愈合的机理是扩散反应及随后的重结晶，高温可增强原子热运动，利于扩散反应的进行。

2.2 脉冲电流愈合法

在金属凝固过程中施加不同强度脉冲磁场或脉冲电流均可使凝固组织晶粒细化，脉冲电磁场作用下产生的剧烈对流可促使晶粒从型壁上游离，极大地增加金属熔体的形核率，同时，相对均匀的温度场也抑制了晶粒生长时的各向异性，可抑制柱状晶的形成。

2.3 热力耦合愈合法

在恒温无外压保温条件下可修复裂纹尺寸一般小于1μm，而大型锻件实际生产中发现有些几十微米甚至更大的裂纹在适当的外界条件、保温时间下也可以修复。在塑性变形条件下，内裂纹愈合过程一般经历闭合及焊合两个阶段，闭合阶段可使裂纹内界面充分接近，为焊合阶段实现界面的金属键结合提供有利条件。在热力场的耦合作用下，可一定程度上减少内裂纹的愈合时间。

3 裂纹愈合机制

综观金属材料裂纹愈合研究，影响裂纹愈合因素可归纳为内部因素和外部 因素。内部因素包括材料特性（晶格类型、化学成分、合金元素、位错密度与分布、晶粒大小、杂质、残余应力）、裂纹性质（裂纹几何形状、裂纹取向、裂纹类型、裂纹附近微观组织结构）等。外部因素主要包括温度、压力以及环境气氛等。

要愈合裂紋，消除裂纹间的自由面，必须在两个自由面间形成金属键，使两个分离的缺陷自由面间的原子间距小至0.1-0.5nm。无论表面裂纹或是内部裂纹，愈合过程都主要包括裂纹填充与修复结晶两个阶段。裂纹填充主要借助于扩散反应和结构重排。根据扩散产生原因分类，原子迁移可主要分为两大类，一类称为化学扩散，是在化学浓度梯度的推动下产生的扩散；另一类称为自扩散，是在无化学浓度梯度条件下，仅由热振动而产生的扩散。此外，还有应力场、热场和电场等所引起的扩散。从热力学的角度看，扩散的根源推动力是化学位梯度，由于化学位的不同，各组元的原子总是由高化学位区向低化学位区扩散。修复结晶则 包括3个时期：形核孕育期、结晶形核期与长大重组期。修复结晶伴随着能量的降低，包括晶格缺陷能、晶粒边界能、化学自由能及弹性应变能等。

但也有学者认为，不能单纯把裂纹愈合过程完全归因于原子扩散填充过程，裂纹愈合过程中也伴随着位错的产生和运动，以及孪晶和空位的产生及变迁，裂纹愈合的临界温度和裂纹面的相对取向也有关系，沿滑移面的裂纹最容易愈合。

4 结束语

总结和分析国内外金属材料裂纹愈合的研究进展，本文认为未来可在以下几个方面开展进一步的研究工作。

4.1 注重影响裂纹愈合内部因素的研究，进一步深入认识金属材料裂纹愈合机理，完善材料裂纹愈合的理论体系。

4.2 目前对金属材料裂纹愈合的外部因素研究往往侧重于高温愈合方法。开展中低温及常温下的裂纹愈合研究对于大幅度降低能源消耗具有重要的理论意义和实用价值。

4.3 微波加热相比其他加热方式，升温更迅速且均匀，穿透能力强，可选择性加热及体积性加热。因此，在金属材料裂纹愈合的研究领域，可引入微波加热方式作进一步研究。

4.4 添加合金元素对金属材料的裂纹愈合有一定催化效果，且操作简单、方 便经济。但目前研究较少，普适性也不强，还有待更加深入系统地研究。

4.5 有色金属及其合金是现代工业不可缺少的结构材料，但以往对金属材料的裂纹愈合研究集中在黑色金属，尤其以钢类居多。因此，开展有色金属及其合金的裂纹愈合研究，也具有重要意义。

4.6 材料裂纹仿生自愈方法具有前沿性和广泛的应用前景，但目前在金属材料裂纹愈合领域尚不能完全依赖自身实现愈合。因此还需进一步开展金属材料裂纹仿生自愈方法的研究。

参考文献：

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