長壽命（mìng）、高可靠（kào）是重大工程裝備的重要指（zhǐ）標，特別（bié）是以先進航空發動機和高鐵車軸為代表的關鍵部件，服役壽命內承受超過（guò）107甚至1010周次的循環載（zǎi）荷作用，進入了超（chāo）高周疲（pí）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）的疲勞強度與壽命設計理念，成為近年來疲勞研（yán）究的前沿和熱點。因此，研究揭示超高周疲勞的微觀機理和規律等科學問題，建立疲勞壽（shòu）命與疲勞（láo）強度的準確預測模型（xíng），具重（chóng）要（yào）的科學意義和（hé）工程應用價值。

中國（guó）科學院力學（xué）研究所非線性力學國家重點實驗室微結構計算力學課題組以航空發動機用（yòng）TC17鈦合金和增材TC4鈦合金為（wéi）研究對象，揭示疲勞載荷過程中形成的形變孿晶和納米晶是鈦合金超高周疲勞裂紋萌生和演化的重要因素（圖1），提出鈦合金超高周疲勞裂紋萌生（shēng）和初始擴展機理（圖（tú）2）；研究通過變幅加載設計，測得超高周（zhōu）疲勞裂（liè）紋萌生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（zhōu）疲勞壽命進行預測，預測結果與實驗結（jié）果吻合（圖3c）。

研（yán）究發現，材料缺（quē）陷不僅會顯著降（jiàng）低（dī）鈦合金的（de）疲勞性能，而且缺（quē）陷對高周及超高周（zhōu）疲勞行為的影響與缺陷的引入形式密切有關。對於材（cái）料內部缺陷，高周和超高周疲勞S–N曲線呈現（xiàn）連（lián）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（diàn）子顯微鏡（jìng）和透射電子顯微鏡觀測表明（míng），與內（nèi）部缺陷誘導的超高（gāo）周（zhōu）疲勞失效不同，表麵人工缺陷誘導的超高周疲勞未呈現（xiàn）緩慢的、隨（suí）納米晶（jīng）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，試樣在很少（shǎo）周次內失效（圖5）。科研人員認為這種失效是疲勞載荷與時（shí）間相關過程（如水氣影響、氫（qīng）的作用（yòng）等）的協同作用所致。研究進一步提出試樣幾何形狀及表麵缺陷對（duì）鈦合金高周和超高周疲勞強度的影（yǐng）響模型。該模型不（bú）但可用於關（guān）聯缺陷對鈦合金疲勞強（qiáng）度的影響（圖6a），而且（qiě）有效用於文獻中缺陷（包括裂紋）對（duì）一些金屬材料（liào）高周疲勞強度的影響（圖6b-6f）。

科研團隊對幾種常用的應力比對高周疲勞強度影響模型在超高周疲勞範疇的預測 能力進行了對比研究。多種材（cái）料實驗數據表明，Walker公（gōng）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疲勞強度（dù）的影響（圖7），其中σα，R和σα，-1分別是應力比R和–1下的疲勞強度，σm和σb是平均應力和拉伸強度，γ是材料參數（shù）。

研（yán）究工作得到國家自然科學基（jī）金基礎科學中心“非線性力學的多尺度問題研究”項目、國家自然科學基金重大研（yán）究計劃“航空發動機高溫材料（liào）/先進製造及故障診斷科學基礎”培育項目等的支持。部分研（yán）究成果與北交大等（děng）合作完成，主要（yào）研究成果發表在（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鈦合金掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射觀測結果（guǒ）(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密特（tè）因子，（e）微裂（liè）紋附近掃描電子顯（xiǎn）微鏡圖像（xiàng），（f-h）分（fèn）別是圖（tú）e中方框區域的反極圖、相圖以及（jí）母體晶粒和孿晶變體基麵（miàn）的施密特因子，加載方向沿著紙麵向上和向下（xià）。

圖2.鈦合金超高周疲勞裂（liè）紋萌生和初始擴展機（jī）理（lǐ）示意圖。

（i）疲勞載荷過程中位（wèi）錯塞積引起的局部高應（yīng）力誘導孿晶、滑移或微裂紋（wén）的形成。（ii）孿晶係統或（huò）位錯之間（jiān）的（de）相互作用導致位錯胞或位錯牆的形成，進而形成微尺（chǐ）度滑移帶和亞微米晶粒，最終形成納米晶粒；然（rán）後，微裂紋沿（yán）著納米晶粒-粗晶粒界麵或在納米晶粒（lì）區域內形成。此（cǐ）過程中（zhōng），由於微（wēi）結構不均勻或變形不協調，微裂紋的形成也可以與晶粒細化無關，即微裂紋（wén）形成於α相團（tuán）簇（cù）、較大的α相或α-β界麵。（iii）微（wēi）裂紋增長或聯接，並在疲勞載（zǎi）荷過程中進一步誘（yòu）導晶粒細化或微裂紋的形成。（iv）過程（iii）繼續，直到裂紋萌生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（wén）萌生和（hé）初始擴展（zhǎn）速率與壽命預測。

（a）變幅（fú）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（cè）結果與實驗結果的（de）比較。

圖4.缺陷引入形式（shì）和缺陷（xiàn）尺寸（cùn）對疲勞性能的影響。

（a）缺陷引入形式對增材TC4疲勞性能影響，（b）人工表（biǎo）麵缺陷對TC17鈦合金疲勞（láo）性能影響，實線（xiàn）表示雙對數坐標（biāo）下線性擬（nǐ）合（hé）得到的中值S–N曲線。

圖5.含表麵（miàn）人工（gōng）缺（quē）陷TC17鈦合金（jīn）超高（gāo）周疲勞原位顯微（wēi）鏡觀（guān）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（zhōu）和超高周疲勞強（qiáng）度影響的模型結果與實（shí）驗結果比（bǐ）較。

圖（tú）7.實驗結果與不同模型預測結果（guǒ）的比（bǐ）較。