長壽命、高（gāo）可靠是重（chóng）大（dà）工程（chéng）裝備的重要指標，特別是以先進航空發動機和高鐵車軸為代表的關鍵部件，服（fú）役壽命內承受超（chāo）過107甚至1010周（zhōu）次的循環載荷（hé）作用，進入了超高周疲勞（即107周次以上的疲勞）研究範疇，這顛覆了傳統基於疲勞極限（對應107周次）的（de）疲勞強度與壽命設計理念，成為近年來疲（pí）勞研究的前沿和熱點（diǎn）。因（yīn）此，研究揭示（shì）超高（gāo）周疲勞的微觀機理和規律等科學問題，建立（lì）疲（pí）勞（láo）壽命與疲勞（láo）強度的準確預測模（mó）型，具重（chóng）要（yào）的科學意義和工程應用價值。

中國科學院力學研究所非線性（xìng）力學國家重點實（shí）驗室微結構計算力學課題組（zǔ）以航空發動（dòng）機用TC17鈦合金和增材（cái）TC4鈦合金為研究對象，揭示疲勞載荷過程中形（xíng）成的（de）形變孿晶和納米（mǐ）晶（jīng）是鈦合金超（chāo）高周疲勞裂紋萌生（shēng）和演化的（de）重要因素（sù）（圖1），提出鈦合金超高（gāo）周疲勞裂紋萌生和初始擴展機理（圖2）；研（yán）究通過變幅加載（zǎi）設計，測得超高周（zhōu）疲勞裂紋萌生和初始擴展區域（yù）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（gāo）周疲勞壽命進行（háng）預測，預測（cè）結果（guǒ）與實（shí）驗（yàn）結果吻（wěn）合（圖3c）。

研（yán）究發現（xiàn），材料缺（quē）陷不僅會顯著降低鈦合金的疲（pí）勞性能，而且缺陷對高周及超高周疲勞行為（wéi）的影響與缺陷的引入形（xíng）式密切有關。對於材料內部（bù）缺陷，高周和超高周疲勞S–N曲線呈現連續下降特征，而表麵人工缺陷試樣S–N曲線具（jù）平台區特征（圖4）。原位顯微鏡（jìng）、掃描電子（zǐ）顯微鏡和透射電子顯微鏡觀測表明，與內部缺（quē）陷誘導的超高周疲勞失效不同，表麵人工缺陷誘導（dǎo）的超高周疲勞未呈現緩慢的、隨納（nà）米晶粒形成的裂紋萌生和初始擴展過程，一（yī）旦裂紋萌生，裂紋將快速增長，試樣在很少周次內失效（圖5）。科研人員認為這種失效是疲勞載荷與時間相關過程（如（rú）水氣影響、氫的（de）作用等）的協同作（zuò）用所致。研究（jiū）進一（yī）步提出試樣幾何形狀及表麵缺陷對鈦合金高周和超高周疲勞強度的影響模型。該模型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（yǒu）效用於文獻中缺陷（包括裂紋）對一（yī）些金屬（shǔ）材料高周疲勞強度的影響（圖（tú）6b-6f）。

科研團隊對幾種常用的應力（lì）比對高周疲勞強度影響模型在超高周疲勞範疇的預測 能（néng）力進行了對比研究（jiū）。多種材（cái）料實（shí）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公式σa，R=σα，-1 [(1–R)/2]1/2，更好地預測應力比對超高周（zhōu）疲勞強度的影響（圖7），其中σα，R和σα，-1分別是應力比R和–1下的疲（pí）勞強（qiáng）度，σm和σb是平均應力和拉伸強度，γ是材料參（cān）數。

研究工作得到國家自然科學（xué）基金（jīn）基礎科學中心“非線性力學的多尺度問題研究”項目、國家自然科學基金重大研究計（jì）劃“航（háng）空（kōng）發動機高溫材料/先進製造及（jí）故障（zhàng）診斷（duàn）科（kē）學基礎”培育項目等的支持。部（bù）分研究成果與北交（jiāo）大等合作完成，主要研究成果發表（biǎo）在（zài）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（diàn）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）分別是圖a中（zhōng）方框區域的反極圖、相圖以及母體晶粒和孿晶變體基麵的施（shī）密特因（yīn）子，（e）微（wēi）裂紋附近掃描電子顯微鏡圖像，（f-h）分別是圖（tú）e中方框區域的反極圖、相圖以及母體晶粒和孿晶變體基麵的施（shī）密特因子，加載方向沿著紙（zhǐ）麵向上和向下。

圖2.鈦合金超高周疲勞裂紋萌生（shēng）和初始擴展機理（lǐ）示意圖。

（i）疲勞載荷過程中位錯（cuò）塞積引起的局部（bù）高應力（lì）誘導（dǎo）孿晶、滑移或（huò）微（wēi）裂紋的形成。（ii）孿晶係統或（huò）位（wèi）錯之間的相互作用導（dǎo）致位錯胞或位錯牆的形成，進而形成微尺度滑（huá）移帶和亞（yà）微米晶粒，最終形成納米晶粒；然後（hòu），微裂紋沿著納米晶（jīng）粒-粗晶粒界麵或在納米晶（jīng）粒區域內形（xíng）成。此過程中，由（yóu）於微結（jié）構不均勻或變形（xíng）不協調，微裂（liè）紋的形成也（yě）可以與晶粒細化無關，即微裂紋形成於α相團簇、較大的α相或α-β界麵。（iii）微（wēi）裂紋（wén）增（zēng）長或聯接，並在疲（pí）勞載荷過程中進（jìn）一步誘導晶粒細化或微裂紋的形成。（iv）過程（iii）繼續，直到裂紋萌生（shēng）和初始擴展階段結束。

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

（a）變（biàn）幅（fú）加載下（xià）SEM照片（σα，H=600 MPa, σα，L=400 MPa, R=–1, σα，L下累（lèi）積1.6×10^8周次），（b）裂紋（wén）萌生和（hé）初始（shǐ）擴展區域（Fine Granular Area, FGA）內等效裂紋擴展速率（lǜ）與文獻中裂紋擴展（zhǎn）速率的比較，（c）不同應力比下S–N數據以及R=–1下疲勞（láo）壽命預測結果與實驗結果的比較。

圖4.缺（quē）陷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疲勞性能影響，（b）人工表麵缺陷對（duì）TC17鈦合金疲勞性（xìng）能影響，實線（xiàn）表示雙對數坐標（biāo）下線性擬合得到的中值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（guān）測（σα=368 MPa, R=–1, Nf=1.95×10^7），加載方向沿著紙麵向（xiàng）上和向下。

圖6.缺陷（xiàn）對高周和超高周疲勞強度影響的模型結果與實驗結果比較。

圖7.實驗結果與不同模型預（yù）測結果的比較。