【研究室总体介绍】
材料失效与延寿研究室是环境断裂教育部重点实验室的重要组成部分。实验室从环境断裂研究室独立出来，主要研究材料在不同服役环境（深空，深海等严苛环境）中的服役性能及寿命预测。主要研究方向有：
1、金属材料的氢脆和应力腐蚀
2、金属材料断裂失效的微观机理以及延寿措施研究
3、超高强钢延迟开裂评价方法研究
4、低Cr钢耐蚀的本征机制和焊接性能研究
5、金属材料的多场耦合效应研究
6、生物材料安全可靠性研究
7、高性能新材料前沿探索
研究室近年来承担了“973”、“863”、“支撑计划”、国家自然科学基金（国际合作、重点、面上、青年）项目等国家纵向课题和航空航天领域、大型国有企业等横向课题，如大型运载火箭、导弹发动机、天宫二号等航天器关键部件的失效分析和安全性评价，以及新一代超高强汽车用钢板、线材等的研发。在材料失效机理等基础研究，以及我国重大工程、军事装备和航天器安全服役应用研究方面均做出了重要贡献。
研究室现有固定科研人员4名，其中研究员、博士生导师3名，副研究员1名。研究室曾获国家自然科学奖二等奖1项，省部级科技进步奖一等奖4项、二等奖6项，发表SCI学术论文500余篇，出版学术专著20余部。
【研究室成员介绍】
岩 雨 研究员 博士生导师
李金许 研究员 博士生导师
许立宁 研究员 博士生导师
邢 运 副研究员 硕士生导师
【研究室主要研究内容及科研成果】
1、金属材料的氢脆和应力腐蚀
金属材料的环境断裂（氢脆、应力腐蚀和腐蚀疲劳）是导致重大工程失效，造成恶性事故的重要原因。本研究室近四十年来致力于金属材料的氢脆和应力腐蚀研究，获得了许多重要结果。例如发现应力腐蚀过程中会在裂尖或试样表面形成腐蚀产物膜（或钝化膜），这层膜对材料的应力腐蚀过程和性能有重要影响。比如，这层膜会在基体中产生一个膜致拉应力，对大量的应力腐蚀体系研究表明，应力腐蚀敏感性与膜致应力的大小正相关，即膜致应力越大，应力腐蚀敏感性越高，当膜致应力为零或压应力时，则不产生应力腐蚀。分子动力学和有限元模拟表明，膜致应力的最大值处于腐蚀膜和金属基体的界面，膜致应力与外加载荷叠加导致应力腐蚀裂纹前端发射位错，当发射位错达到临界状态时导致应力腐蚀裂纹的形核和扩展。
在该领域发表SCI论文400余篇，出版了包括《氢脆和应力腐蚀——基础部分》、《氢脆和应力腐蚀——典型体系》、《断裂与环境断裂》、《氢损伤与滞后断裂》、《应力作用下的金属腐蚀》和《应力腐蚀机理》等多部专著。获得至今为止国内腐蚀领域唯一的一项自然科学二等奖，以及省部级科技进步一、二等奖多项。
2、金属材料断裂失效的微观机理以及延寿措施研究
利用透射电镜（TEM）原位拉伸实验研究了韧性金属（Al、Cu、Ni和不锈钢等）和脆性金属（TiAl和Ni3Al金属间化合物）断裂的微观过程，在国际上首次发现微裂纹会在裂纹尖端或无位错区（DFZ）中形核扩展；发现无论是韧性金属还是脆性金属（金属间化合物）在裂纹扩展前均发射位错，对国际上公认的裂纹发射位错与否是区分韧性和时脆性材料的判据提出了挑战。
利用自制的加载台研究了环境断裂的微观过程，发现在环境断裂过程中，无论是腐蚀介质、充氢还是液态金属吸附均会导致位错的发射、增值和运动，当位错的发射、增值和运动达到临界状态时就会导致微裂纹的形核和扩展。
针对延迟开裂的本质，从微观组织和结构分析入手，研究材料失效的微观机理，并探讨材料延寿使用的可能和措施。
3、超高强钢延迟开裂评价方法研究
钢的强度越高，氢致开裂敏感性越高。抗拉强度大于1000MPa的超高强钢发生氢致开裂的可能性显著增大。通常超高强钢的延迟开裂以氢致滞后开裂为主。多年来由于没有统一的评价方法，国内外各个研究机构和公司均采用自己的评价方法，导致每种材料试验数据缺乏可靠的互比性。这也成为了耐延迟开裂汽车用超高强钢最终面向市场化的最大障碍。因此科学的、准确的、高效的氢致延迟开裂敏感性评价方法的研究具有重要的现实意义。
本实验室对几种980MPa级的超高强汽车钢板以及1180MPa和1300MPa级别的马氏体钢板，利用U弯浸泡、慢应变速率拉伸和恒载荷等方法，结合测氢技术，研究了超高强度汽车钢板氢致延迟开裂敏感性。研究发现，U弯试样有的在脊背处发生点蚀，出现蚀孔而不断裂；而有的不发生点蚀直接断裂。恒载荷实验方法可以定量地测出材料在特定环境条件下发生延迟开裂的门槛应力，以及该门槛应力随氢浓度的变化规律。这种方法试验周期长，速度慢，可以定量表征出材料的氢脆敏感性（或应力腐蚀敏感性）大小，对于已经确定选用的材料或工艺，用这种方法给出的临界数据最可靠。而慢应变速率拉伸方法测出在特定环境条件和应变速率条件下，材料发生氢脆（或应力腐蚀敏感性）的大小，同时具有半定量和实验周期较快的优点，因此可用于筛选材料或工艺。
本实验室对不同评价方法之间的可比对性进行了系统研究，根据不同材料、工况、环境条件而提出了汽车钢板延迟开裂的评价方法建议，被国内某著名大型汽车钢板制造企业采用。
4、低Cr钢耐蚀的本征机制和焊接性能研究
（1）低Cr钢的“准钝化”行为研究
在普通碳钢和不锈钢之间，存在选材上的空白。在碳钢中加入少量的Cr制备的低Cr钢，具有优于碳钢的耐蚀性能。其成本远低于不锈钢，且可焊性也优于不锈钢，因而低Cr钢逐渐成为研究热点。本研究室在国际上较早发现并命名了低Cr钢的“准钝化”现象，首次对“准钝化”膜进行了原位观察和成分分析，揭示了溶液pH值会显著影响“准钝化”行为。发表于Corrosion Science的文章获得国内外学者广泛关注，其中一篇他引次数超过60次，“准钝化”这一说法从此被沿用。
我们的研究表明，在CO2腐蚀环境下，低Cr钢中的Cr通过同时影响阳极过程和阴极过程来诱发钢基体“自发”进入准钝化状态：阳极过程中，Cr的添加使阳极过程附加Cr的反应，Cr(OH)3膜不断生成并覆盖于基体表面，阳极电流密度下降，极化曲线表现为准钝化；对阴极过程，Cr的水解导致基体/溶液界面处pH快速下降，驱动H+的还原转变，从而进入准钝化电位区间，基体发生自发准钝化，耐蚀性能明显提高。这一观点发表于Corrosion Science，获得了国内外同行的引用。本研究室还首次提出了“有效Cr含量”的概念：低Cr钢中的Cr一类为以析出相等化合态形式存在，另一类以固溶态形式存在，正是后者对耐蚀性起着至关重要的作用。
（2）低Cr钢焊接性能及其它合金元素的影响
焊接接头具有较好耐蚀性能是低Cr钢大规模应用的前提，本研究室与美国俄亥俄州立大学方塔纳腐蚀中心合作，开展了饱和CO2盐水溶液环境下焊接接头原位微区电化学测试。结果表明，母材区电位最负，约-655 mV/SCE，与焊缝区电位相差约100 mV，该电位差足以驱使区域之间产生明显电偶效应，其中焊缝区作为阴极被保护，母材区则作为阳极被加速。这与腐蚀模拟实验焊接接头各区减薄及体积损失结果一致。在实际应用中，母材区面积相对于焊缝区和热影响区可视为无限大，因此，母材区加速腐蚀效应将被无限降低，几乎可以忽略，而焊缝区和热影响区则被很好保护。这种大阳极（母材区）、小阴极（热影响区+焊缝区）的电偶组合可以有效避免焊缝区和热影响区的局部优先腐蚀，对焊接接头的安全应用非常有利。
此外，本实验室还研究了添加Al、Ni和Mo等合金元素对低Cr钢耐蚀性能的影响。结果表明，添加上述元素并不会改变自发准钝化，起主要作用的仍然是Cr，因此以Cr为主要合金元素，添加微量的其他元素来调节组织和力学性能，来设计低Cr钢是可行的。Al会像Cr那样在腐蚀产物膜中富集，Mo会少量富集在腐蚀膜中，而Ni则不在腐蚀膜中富集。
5、金属材料的多场耦合效应研究
纳米多孔金材料具有表面积大、高密度原子级台阶、良好的导电性能，以及表面等离子体效应和高的杨氏模量高等特点广泛应用与催化、电极材料，以及分子检测和驱动器件等，在微纳器件和传感器中具有广泛的应用。在国家自然基金委/香港RGC联合基金的资助下开展了纳米多孔金的力/电/化学多产耦合效应的规律和机理研究。
形状记忆合金、超磁致伸缩材料等铁磁合金重要的智能功能材料，可广泛应用于电器、建筑、能源、汽车、医疗、仪器仪表、自动控制、航空航天、生物工程、机器人和日常生活各个领域。它们在使用过程中面临四个服役条件：应力、温度、磁场和化学环境（潮湿空气和氢等）。在复杂服役条件下，合金的相变与断裂行为对其服役可靠性及寿命具有重要影响，研究室对Ni50Mn30Ga20、Fe-Ga合金等典型铁磁材料，系统研究了多场耦合条件对材料相变与断裂特性的影响。
6、生物材料安全可靠性研究
（1）人工关节植入体材料腐蚀与磨损交互作用的研究
金属作为替代人体某些器官的材料具有很长的历史，但是在应用的初期，耐蚀性是选用金属材料的主要考虑因素，因此金、银等贵金属常被用于人体。随着技术水平的不断发展，对金属材料的要求也越来越高。金属材料在生物体内主要是依赖于其优异的机械性能，如强度、韧性等。目前有70%到骨科植入体材料为金属材料，因此对其寿命及安全性的研究非常重要。
例如，骨科植入物与人体组织间产生的摩擦界面广泛的存在于人体中，已成为植入物晚期松动失效的主要原因，如何解决好结构元件界面的摩擦磨损问题，对于提高骨科手术疗效增长骨科植入物（尤其是人工关节）的使用寿命具有重要意义。在人体环境中，金属材料也会发生腐蚀从而释放出有潜在危险的金属离子。磨损与腐蚀的交互作用降低了人工关节的安全性。国外进口的人工关节能够服役20年左右，但是我国国产到人工关节到寿命只有5-10年，因此患者为了保证正常到生活需要进行多次植入手术，如何延长人工关节的寿命，并且保证其安全服役，是研究到终点。研究发现在髋关节人工植入体表面存在一层金属生物膜和纳米晶层，这是植入体材料在富含蛋白质的环境中由磨蚀诱发而生成的。金属生物膜的形成，能够有效的润滑关节摩擦界面，并能降低磨损量。2011年在Science发表的文章也引用我们的研究成果，对人工关节表面富碳层进行了深入分析。
（2）金属生物材料表面改性研究
金属材料被植入人体后，会迅速与体液发生反应，在一段时间内保持钝化的特性。对于某些部位的植入材料，我们希望其可以在设计的时间内进行安全降解，从而不需要二次手术再把植入体取出，如骨钉、骨板等。镁合金是目前较好的可降解材料，但是如何控制其降解速度是研究难点，因此对镁合金表面的改性可以很好到控制其降解速度。骨科植入材料的另一个失效原因是由于手术之中所带来的细菌会造成严重到感染。因此如何能提高植入材料在植入初期的抗菌能力，但是又不改变材料本身的机械和耐蚀性能是我们目前的研究方向。我们对材料表面进行阳极化处理并采用电化学沉积碘伏的方法，大大提高了金属材料抗菌能力。
人体本身的关节是依赖于半月板纤维结构进行润滑的，其润滑效果非常好。但由于病变、意外事故等原因，半月板损坏无法提供有效润滑后，就要进行人工关节植入体到替换。目前人工关节植入体材料主要是金属、陶瓷等硬质材料，选择这些材料到主要原因是考虑它们到机械强度。因此对金属材料表面进行仿生改性，如种植高分子刷，可以在降低磨损量的前提下提高摩擦界面的润滑效率。
（3）生物材料的力学行为与防护机制研究
生物材料的力学行为与防护机制研究是力学、生物学、材料学和物理学等多学科前沿、交叉领域。本实验室研究了几类典型昆虫的弹跳冲击动力学行为、弹跳策略与冲击防护机制，阐明了昆虫运动器官中材料分布、结构特征与抗冲击性能之间的关系，揭示了毫米级生物结构独特的动态力学响应与冲击防护调控机制，为微小型飞行器的防护设计提供了重要仿生启发。相关成果发表在生物材料领域顶级期刊《Acta Biomater.》、生物力学领域顶级期刊《J. Biomech.》、物理力学领域顶级期刊《Sci. China-Phys. Mech. Astron.》、理论模拟权威期刊《Adv. Theory Simul.》上。
（4）生物材料的跨尺度与跨学科研究
本工作受生物防护材料启发，针对力学理论前沿问题，一、建立了可延伸悬臂纳米梁的跨尺度力学模型，揭示了表面效应对纳米梁大变形的影响；二、建立了力学—热学—生物学耦合的跨学科理论模型，可实现皮肤组织温度与热响应的精准预测。上述研究对先进功能防护器件的设计与制造具有重要意义。相关成果发表在力学领域高水平期刊《Int. J. Appl. Mech.》、热力学领域知名期刊《Case Stud. Therm. Eng.》上。
7、高性能新材料前沿探索
（1）机动车尾气净化器蜂窝陶瓷载体
随着工业化水平的不断提升，机动车尾气排放污染在城市大气污染的分担率越来越高，机动车尾气控制技术对于环境治理与节能减排具有重大社会意义。催化剂涂敷蜂窝陶瓷载体是汽油车尾气处理的关键之一，而基于蜂窝陶瓷的颗粒捕集器是柴油车尾气颗粒物净化的关键技术。本研究室针对新型蜂窝陶瓷材料以及超薄壁蜂窝陶瓷载体先进制备工艺等方面展开研究，致力于推动具有自主知识产权的机动车尾气净化技术的快速发展。
经多年研究，本研究室在新材料与先进工艺研发方面已取得突出成果，研发出具有低热膨胀系数、高温稳定性优异、孔径及孔隙率大范围可调的钛酸铝基蜂窝陶瓷载体，所得技术参数已经达到并部分超过国际领先企业。在先进制备工艺方面，本研究室开发出一种精密制造超薄壁蜂窝陶瓷载体挤出成型模具的方法，可以制造出具有尺寸精度高、内壁耐磨、耐蚀性好且有自润滑特性等优点超薄壁蜂窝陶瓷挤出模具，从而从根本上解决了超薄壁蜂窝陶瓷载体的生产难题。
（2）氢测量传感器
氢能源的广泛应用使得氢泄漏检测传感器的研究和开发日益重要。电位式氢传感器具有信号不依赖于膜电极尺寸、易于小型化、外置设备简单等优点，适合市场化的要求。本研究室对电位式氢传感器进行系统研究，重点针对传感器核心部件——电解质薄膜，在薄膜性能、传感器设计与制作以及工作信号响应特性等多方面获得了一系列特色成果。
本研究室制备出以商用Nafion112膜为电解质的氢传感器，该传感器具有优异的氢敏特性，可以实现微量氢泄漏的有效检测，并且以能斯特方程为基础建立不同温、湿度环境条件下传感器响应特性的经验公式；制备不同铵盐修饰的壳聚糖复合电解质膜，其离子电导特性与商用Nafion膜相当，且氢敏稳定特性及环境适应性更优异；采用所研制的电解质膜，开发出一套氢传感报警系统，可实时检测并显示环境氢浓度，并对氢泄漏进行报警。
（3）飞行器结构耐撞性设计
本工作面向飞行器冲击防护领域中的国家重大需求，聚焦冲击动力学重大科学前沿问题，研发出一系列高性能多功能防护结构，并对其力学特性、抗冲击性能和吸能机制开展了系统研究与优化设计。该工作提出了材料—结构—抗冲击性能一体化仿生设计方法，发展出设计多功能防护结构的新模式，为突破领域内重大关键技术提供了有效的解决方案。例如，率先提出了拦阻新机制与表征新型材料拦阻力学性能的评价方法，揭示了材料—机轮—飞机－性能之间的耦合关系，突破了多机型协同拦阻关键技术。该技术已应用于我国新型飞机拦阻系统的研发。相关成果发表在冲击动力学领域顶级期刊《Int. J. Impact Eng.》、复合材料力学领域顶级期刊《Compos. Struct.》、应用数学领域顶级期刊《Appl. Math. Model.》、国内航空领域旗舰期刊《航空学报》和《航空科学技术》上。
【研究室承担科研项目】
1、“863”项目：基于材料基因工程的高通量设计、制备与表征技术；
2、“973”课题：多重动态海洋环境因素作用下材料腐蚀损伤的机理与规律；
3、国家重点研发计划重点专项子课题：高性能超高强汽车用原型钢的技术基础研究；
4、北京市科技计划项目：材料基因工程关键技术及其在镍基高温合金、金属锂负极中的应用研究；
5、国家自然科学基金委重点项目：原位纳米增强高强韧钢及其复杂海洋环境适应性研究；
6、国家自然科学基金委重点项目：成分和微结构调控的抗氢脆高强塑中锰钢基础研究；
7、国家自然科学基金委重点项目：高温高压核电水环境材料腐蚀的痕量效应及防护机理研究；
8、国家自然科学基金委重点项目：应力腐蚀的多层次跨尺度研究；
9、国家自然科学基金委面上项目：辐照促进应力腐蚀开裂机理研究；
10、国家自然科学基金委面上项目：晶界特征对氢致延迟开裂过程的影响；
11、国家自然科学基金委面上项目：磁场、环境耦合作用下Fe-Ga合金应力腐蚀的规律及机理；
12、国家自然科学基金委面上项目：金属生物膜的形成机理及其润滑和耐磨蚀的研究；
13、国家自然科学基金委面上项目：纳米多孔金属的力-电-化学介质多场偶耦合效应研究；
14、国家自然科学基金委面上项目：裂纹在沿晶氧化膜内形核的应力腐蚀新机理；
15、国家自然科学基金委面上项目：逆变奥氏体对马氏体时效钢氢致开裂性能的影响；
16、国家自然科学基金委面上项目：奥氏体不锈钢氢致滞后开裂机理研究；
17、国家自然科学基金委员会青年项目：仿生缝合互锁联接复合结构的抗冲击性能与机理研究；
18、中国博士后科学基金项目：仿生自约束自适应防护结构的力学性能与多功能抗冲击机理研究；
19、国际（地区）合作项目：铁电陶瓷在电场、力和化学环境下的失效行为研究；
20、厂协项目：典型材料渗氢和脱氢实验研究；
21、厂协项目：加氢装置换热器H损伤规律及机理研究；
22、厂协项目：超高强汽车用冷镦钢的氢致延迟开裂研究；
23、厂协项目：汽轮机末级长叶片材料的氢脆敏感性评价；
24、厂协项目：12.9-14.9级超高强度紧固件用钢氢脆敏感性研究；
25、厂协项目：海洋链应力腐蚀性能测试及服役安全性评估；
26、厂协项目：汽车尾气催化剂失活或活性下降机理研究；
27、厂协项目：规整填料在减压条件下的腐蚀机理及失效预防。