長(cháng)壽命、高可靠是重大工程裝備的重要指標，特別是以先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機和高鐵車(chē)軸為代表的關(guān)鍵部件，服役壽命內承受超過(guò)107甚至1010周次的循環(huán)載荷作用，進(jìn)入了超高周疲勞（即107周次以上的疲勞）研究范疇，這顛覆了傳統基于疲勞極限（對應107周次）的疲勞強度與壽命設計理念，成為近年來(lái)疲勞研究的前沿和熱點(diǎn)。因此，研究揭示超高周疲勞的微觀(guān)機理和規律等科學(xué)問(wèn)題，建立疲勞壽命與疲勞強度的準確預測模型，具重要的科學(xué)意義和工程應用價(jià)值。

中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線(xiàn)性力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室微結構計算力學(xué)課題組以航空發(fā)動(dòng)機用TC17鈦合金和增材TC4鈦合金為研究對象，揭示疲勞載荷過(guò)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和初始擴展機理（圖2）；研究通過(guò)變幅加載設計，測得超高周疲勞裂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(jìn)而對超高周疲勞壽命進(jìn)行預測，預測結果與實(shí)驗結果吻合（圖3c）。

研究發(fā)現，材料缺陷不僅會(huì )顯著(zhù)降低鈦合金的疲勞性能，而且缺陷對高周及超高周疲勞行為的影響與缺陷的引入形式密切有關(guān)。對于材料內部缺陷，高周和超高周疲勞S–N曲線(xiàn)呈現連續下降特征，而表面人工缺陷試樣S–N曲線(xiàn)具平臺區特征（圖4）。原位顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀(guān)測表明，與內部缺陷誘導的超高周疲勞失效不同，表面人工缺陷誘導的超高周疲勞未呈現緩慢的、隨納米晶粒形成的裂紋萌生和初始擴展過(guò)程，一旦裂紋萌生，裂紋將快速增長(cháng)，試樣在很少周次內失效（圖5）?？蒲腥藛T認為這種失效是疲勞載荷與時(shí)間相關(guān)過(guò)程（如水氣影響、氫的作用等）的協(xié)同作用所致。研究進(jìn)一步提出試樣幾何形狀及表面缺陷對鈦合金高周和超高周疲勞強度的影響模型。該模型不但可用于關(guān)聯(lián)缺陷對鈦合金疲勞強度的影響（圖6a），而且有效用于文獻中缺陷（包括裂紋）對一些金屬材料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范疇的預測 能力進(jìn)行了對比研究。多種材料實(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下的疲勞強度，σm和σb是平均應力和拉伸強度，γ是材料參數。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金基礎科學(xué)中心“非線(xiàn)性力學(xué)的多尺度問(wèn)題研究”項目、國家自然科學(xué)基金重大研究計劃“航空發(fā)動(dòng)機高溫材料/先進(jìn)制造及故障診斷科學(xué)基礎”培育項目等的支持。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(guān)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中方框區域的反極圖、相圖以及母體晶粒和孿晶變體基面的施密特因子，（e）微裂紋附近掃描電子顯微鏡圖像，（f-h）分別是圖e中方框區域的反極圖、相圖以及母體晶粒和孿晶變體基面的施密特因子，加載方向沿著(zhù)紙面向上和向下。

圖2.鈦合金超高周疲勞裂紋萌生和初始擴展機理示意圖。

（i）疲勞載荷過(guò)程中位錯塞積引起的局部高應力誘導孿晶、滑移或微裂紋的形成。（ii）孿晶系統或位錯之間的相互作用導致位錯胞或位錯墻的形成，進(jìn)而形成微尺度滑移帶和亞微米晶粒，最終形成納米晶粒；然后，微裂紋沿著(zhù)納米晶粒-粗晶粒界面或在納米晶粒區域內形成。此過(guò)程中，由于微結構不均勻或變形不協(xié)調，微裂紋的形成也可以與晶粒細化無(wú)關(guān)，即微裂紋形成于α相團簇、較大的α相或α-β界面。（iii）微裂紋增長(cháng)或聯(lián)接，并在疲勞載荷過(guò)程中進(jìn)一步誘導晶粒細化或微裂紋的形成。（iv）過(guò)程（iii）繼續，直到裂紋萌生和初始擴展階段結束。

圖3.增材TC4鈦合金超高周疲勞裂紋萌生和初始擴展速率與壽命預測。

（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實(shí)驗結果的比較。

圖4.缺陷引入形式和缺陷尺寸對疲勞性能的影響。

（a）缺陷引入形式對增材TC4疲勞性能影響，（b）人工表面缺陷對TC17鈦合金疲勞性能影響，實(shí)線(xiàn)表示雙對數坐標下線(xiàn)性擬合得到的中值S–N曲線(xiàn)。

圖5.含表面人工缺陷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(zhù)紙面向上和向下。

圖6.缺陷對高周和超高周疲勞強度影響的模型結果與實(shí)驗結果比較。

圖7.實(shí)驗結果與不同模型預測結果的比較。