長壽命、高可靠是重大工程裝備的重要指標，特別是以先（xiān）進航空發動機和高鐵車軸為（wéi）代表的關鍵部件，服役壽命內承受（shòu）超過107甚至（zhì）1010周次的循環載荷作用，進入了超高周疲勞（即（jí）107周次以上的疲勞）研究範疇，這顛覆了傳統基於（yú）疲勞極限（對應107周次）的疲勞強度與壽命設計理念，成為（wéi）近年來疲勞研究的前沿（yán）和熱點。因此，研究揭示超（chāo）高周（zhōu）疲勞的微觀機理和規律等科學問（wèn）題，建立疲（pí）勞壽（shòu）命與疲勞（láo）強度的準確預測模型，具（jù）重要的科學意義和工程應用價值。

中國（guó）科學院力學研究所非線性力學國家重點實（shí）驗室微結（jié）構計算力學課題組以航空發動機用TC17鈦（tài）合金和（hé）增材TC4鈦合金為研究（jiū）對象，揭示疲勞載荷過程中形（xíng）成的形（xíng）變孿晶和納米晶是鈦合金超高周（zhōu）疲勞裂紋萌生和演化的重要因素（圖1），提出鈦合金超高（gāo）周疲勞裂紋萌生（shēng）和（hé）初始擴展（zhǎn）機理（圖2）；研究通過變幅加載設（shè）計，測（cè）得超高（gāo）周疲勞裂紋萌生（shēng）和初始擴展區域的等效裂紋擴展速率在10-13~10-11 m/cyc量級（圖3a和3b），進而對超高周疲勞壽命進行預（yù）測，預測結果與實驗結果吻合（圖3c）。

研究（jiū）發現，材料缺陷不僅會顯著降低鈦合金的疲勞性能，而且缺陷對高周及超高周疲勞（láo）行為的影響與缺（quē）陷的引入（rù）形（xíng）式密切有關。對於材料內部缺陷，高周和超高周疲勞S–N曲（qǔ）線呈現連續下降特征，而表麵人工缺陷（xiàn）試樣S–N曲線具平台區特征（圖4）。原位顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀測表明，與內部缺陷誘導的超高周疲勞失效不同，表（biǎo）麵人工缺陷誘導的超高周（zhōu）疲勞未呈現緩慢的、隨（suí）納米晶粒形成的裂紋萌生和初始擴展過程，一旦裂紋萌生，裂紋將快速增長（zhǎng），試樣在很少（shǎo）周次內失效（圖5）。科（kē）研（yán）人員（yuán）認為這種失（shī）效（xiào）是疲（pí）勞載荷與時間相關過程（如水氣影響、氫的作用等）的（de）協同作用所致。研究（jiū）進一步提出試樣幾何形狀及表麵缺陷（xiàn）對鈦合金高周和超高周疲勞強度的影響（xiǎng）模（mó）型。該模（mó）型（xíng）不但可用於關聯缺陷對鈦合金疲勞強度的影響（圖6a），而且有效用於文獻中缺陷（xiàn）（包括裂紋）對一（yī）些金屬材料高周疲勞（láo）強度的影響（圖6b-6f）。

科研團（tuán）隊對幾種常用的應（yīng）力比對高周疲（pí）勞強度影響模（mó）型在超高周疲勞範疇的預測 能（néng）力進（jìn）行了對比研究（jiū）。多種材料實驗數據表明，Walker公式σα，R=σα，-1[(1–R)/2]γ相比Goodman公式σa，R=σα，-1[1–(σm/σb)]及Smith-Watson-Topper公（gōng）式σa，R=σα，-1 [(1–R)/2]1/2，更好地預測應力比（bǐ）對超高周疲勞強度的影響（圖7），其中σα，R和σα，-1分別是應力（lì）比R和–1下的疲勞強度，σm和σb是平均應（yīng）力和拉伸強（qiáng）度，γ是材料參數。

研究（jiū）工作得到國家自然科學基金基礎科學中心“非線性力學的多尺度問題研究”項目、國家自然（rán）科學基金重大（dà）研究計（jì）劃“航空發動機高（gāo）溫材（cái）料/先進製造及故障診斷科學基礎（chǔ）”培育（yù）項目等（děng）的支持。部分研究成果與北交大等合作完成，主要研究成果發（fā）表在Int. J. Fatigue 2023, 166: 107299；2023, 167: 107331; 2022, 160: 106862；Eng. Fract. Mech. 2022, 259: 108136；2022, 272: 108721；2022, 276: 108940；J. Mater. Sci. Technol. 2022, 122: 128-140；Theor. Appl. Fract. Mech. 2022, 119: 103380。

圖1.TC17鈦合金掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射觀測結果(σα=588 MPa, R=–1, Nf=1.4×10^8 cyc)。

（a）試樣局部區域掃描電子顯微鏡圖像，（b-d）分別（bié）是圖a中（zhōng）方框區（qū）域的反極圖、相圖以及母（mǔ）體晶粒和孿晶（jīng）變體基麵的施密特因（yīn）子，（e）微裂紋附近掃描（miáo）電子顯微鏡圖像，（f-h）分別是（shì）圖e中方框區域的反極圖、相圖以及母體晶粒和孿晶變（biàn）體基麵的施密特因子，加載（zǎi）方向沿（yán）著紙麵向上和向（xiàng）下。

圖2.鈦合金超（chāo）高（gāo）周疲勞裂（liè）紋萌生和初始擴展機理示意圖。

（i）疲勞（láo）載荷過程中位錯塞積引起的局部高應力（lì）誘導孿晶、滑移或微裂（liè）紋的（de）形成。（ii）孿晶係（xì）統或位錯之間的（de）相互作用導致位錯胞（bāo）或（huò）位錯牆的形成，進而形成微尺度滑移帶和亞微米晶粒，最終形成納米晶粒；然後，微裂紋沿著納米晶粒-粗晶（jīng）粒界麵或在納米晶粒區域內形（xíng）成。此過程中，由於微結構不均勻或變形不協調，微裂紋的形成也可以（yǐ）與晶粒細化無關，即微裂紋形成於α相團簇、較大的（de）α相或α-β界麵。（iii）微（wēi）裂紋（wén）增長或聯接（jiē），並在疲勞載荷（hé）過程（chéng）中進一步誘導晶粒細化或微裂紋的形（xíng）成。（iv）過程（chéng）（iii）繼續，直到裂（liè）紋萌生和初始擴展階（jiē）段結束。

圖3.增材TC4鈦合金超高周疲勞裂紋萌生和初始擴（kuò）展速率與壽命預測。

（a）變幅加載下SEM照片（σα，H=600 MPa, σα，L=400 MPa, R=–1, σα，L下累積1.6×10^8周次），（b）裂紋萌生和初始擴展區域（Fine Granular Area, FGA）內等效裂紋擴展速率與文獻中裂紋擴展速率的比較，（c）不同應力比下S–N數據以及R=–1下疲勞壽命預測結果與（yǔ）實驗結果（guǒ）的比較。

圖4.缺陷（xiàn）引入形式和缺陷尺寸對疲勞性能的影響（xiǎng）。

（a）缺陷引入形式對增材TC4疲勞性（xìng）能影響，（b）人工表麵缺陷對TC17鈦合金疲勞性能影響，實線表（biǎo）示雙對數坐（zuò）標下線性（xìng）擬合得到的中值S–N曲線。

圖5.含表麵人工缺陷TC17鈦合金超高周疲勞原位顯微鏡觀測（σα=368 MPa, R=–1, Nf=1.95×10^7），加載方向沿著紙麵向上和向下。

圖6.缺陷對高周和超高周疲勞強度影響的模型結果（guǒ）與實驗結果比（bǐ）較。

圖7.實驗結果與不同模型預測結果的比較。