長壽(shou)(shou)命、高(gao)可靠(kao)是重大工(gong)程裝備的(de)重要指標，特(te)別是以(yi)(yi)先進航(hang)空(kong)發動(dong)機和高(gao)鐵車軸為(wei)代表(biao)的(de)關鍵部(bu)件，服役(yi)壽(shou)(shou)命內承受超過107甚至1010周(zhou)次(ci)的(de)循(xun)環載荷作用(yong)，進入了超高(gao)周(zhou)疲勞(lao)（即107周(zhou)次(ci)以(yi)(yi)上的(de)疲勞(lao)）研究(jiu)范疇，這顛覆了傳(chuan)統(tong)基于疲勞(lao)極限（對應107周(zhou)次(ci)）的(de)疲勞(lao)強(qiang)度與(yu)壽(shou)(shou)命設(she)計(ji)理念，成為(wei)近年來疲勞(lao)研究(jiu)的(de)前沿和熱(re)點。因此，研究(jiu)揭示超高(gao)周(zhou)疲勞(lao)的(de)微觀機理和規律等科學問題，建立疲勞(lao)壽(shou)(shou)命與(yu)疲勞(lao)強(qiang)度的(de)準確預測模(mo)型，具重要的(de)科學意義和工(gong)程應用(yong)價(jia)值(zhi)。

中(zhong)國科學院力學研究所非線(xian)性力學國家重(zhong)點(dian)實驗室微結構(gou)計(ji)算力學課題組以航(hang)空(kong)發動機用TC17鈦合(he)金(jin)和(he)(he)(he)增(zeng)材TC4鈦合(he)金(jin)為研究對象，揭示疲(pi)(pi)勞(lao)載荷(he)過程中(zhong)形成的(de)形變(bian)孿晶(jing)(jing)和(he)(he)(he)納米晶(jing)(jing)是(shi)鈦合(he)金(jin)超高周(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)裂紋萌(meng)生(sheng)(sheng)(sheng)和(he)(he)(he)演(yan)化的(de)重(zhong)要因素（圖1），提出鈦合(he)金(jin)超高周(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)裂紋萌(meng)生(sheng)(sheng)(sheng)和(he)(he)(he)初始擴(kuo)(kuo)展機理(li)（圖2）；研究通過變(bian)幅(fu)加載設計(ji)，測得超高周(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)裂紋萌(meng)生(sheng)(sheng)(sheng)和(he)(he)(he)初始擴(kuo)(kuo)展區域的(de)等效裂紋擴(kuo)(kuo)展速(su)率在10-13~10-11 m/cyc量級（圖3a和(he)(he)(he)3b），進而(er)對超高周(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)壽(shou)命(ming)進行預(yu)測，預(yu)測結果與實驗結果吻(wen)合(he)（圖3c）。

研究發現(xian)，材(cai)(cai)料(liao)缺陷(xian)(xian)不僅會顯(xian)著降(jiang)低鈦(tai)(tai)(tai)合金(jin)的疲(pi)(pi)勞(lao)性能，而(er)(er)且缺陷(xian)(xian)對(dui)(dui)高(gao)(gao)周(zhou)(zhou)(zhou)及超(chao)(chao)高(gao)(gao)周(zhou)(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)行為的影(ying)響與缺陷(xian)(xian)的引入形(xing)(xing)式密切有(you)關。對(dui)(dui)于(yu)材(cai)(cai)料(liao)內(nei)部缺陷(xian)(xian)，高(gao)(gao)周(zhou)(zhou)(zhou)和(he)(he)超(chao)(chao)高(gao)(gao)周(zhou)(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)S–N曲(qu)線呈(cheng)現(xian)連續下降(jiang)特征(zheng)，而(er)(er)表面人(ren)工缺陷(xian)(xian)試樣S–N曲(qu)線具平臺區特征(zheng)（圖4）。原位顯(xian)微(wei)(wei)鏡(jing)、掃描電子顯(xian)微(wei)(wei)鏡(jing)和(he)(he)透射電子顯(xian)微(wei)(wei)鏡(jing)觀(guan)測表明，與內(nei)部缺陷(xian)(xian)誘(you)導(dao)的超(chao)(chao)高(gao)(gao)周(zhou)(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)失(shi)(shi)效不同(tong)，表面人(ren)工缺陷(xian)(xian)誘(you)導(dao)的超(chao)(chao)高(gao)(gao)周(zhou)(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)未呈(cheng)現(xian)緩慢的、隨(sui)納米晶粒形(xing)(xing)成的裂(lie)紋(wen)萌(meng)生(sheng)和(he)(he)初(chu)始擴展過程，一(yi)(yi)旦裂(lie)紋(wen)萌(meng)生(sheng)，裂(lie)紋(wen)將(jiang)快速增長，試樣在很少周(zhou)(zhou)(zhou)次內(nei)失(shi)(shi)效（圖5）。科研人(ren)員認為這種(zhong)失(shi)(shi)效是疲(pi)(pi)勞(lao)載荷與時間(jian)相關過程（如水氣影(ying)響、氫的作(zuo)用等）的協同(tong)作(zuo)用所致。研究進(jin)一(yi)(yi)步提出試樣幾(ji)何(he)形(xing)(xing)狀及表面缺陷(xian)(xian)對(dui)(dui)鈦(tai)(tai)(tai)合金(jin)高(gao)(gao)周(zhou)(zhou)(zhou)和(he)(he)超(chao)(chao)高(gao)(gao)周(zhou)(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)強度的影(ying)響模(mo)型。該模(mo)型不但可用于(yu)關聯缺陷(xian)(xian)對(dui)(dui)鈦(tai)(tai)(tai)合金(jin)疲(pi)(pi)勞(lao)強度的影(ying)響（圖6a），而(er)(er)且有(you)效用于(yu)文獻中缺陷(xian)(xian)（包括裂(lie)紋(wen)）對(dui)(dui)一(yi)(yi)些金(jin)屬材(cai)(cai)料(liao)高(gao)(gao)周(zhou)(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)強度的影(ying)響（圖6b-6f）。

科研團(tuan)隊對幾種常用的應(ying)(ying)力比(bi)對高周(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)(pi)勞強度(du)影響模型在超(chao)高周(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)(pi)勞范疇的預(yu)測(ce) 能(neng)力進行了對比(bi)研究。多種材料實驗數(shu)據表明(ming)，Walker公式(shi)σα，R=σα，-1[(1–R)/2]γ相比(bi)Goodman公式(shi)σa，R=σα，-1[1–(σm/σb)]及Smith-Watson-Topper公式(shi)σa，R=σα，-1 [(1–R)/2]1/2，更好(hao)地預(yu)測(ce)應(ying)(ying)力比(bi)對超(chao)高周(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)(pi)勞強度(du)的影響（圖7），其中σα，R和σα，-1分別是應(ying)(ying)力比(bi)R和–1下(xia)的疲(pi)(pi)(pi)勞強度(du)，σm和σb是平均應(ying)(ying)力和拉(la)伸(shen)強度(du)，γ是材料參數(shu)。

研(yan)(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)得到國家自然(ran)科(ke)(ke)學基金(jin)基礎(chu)科(ke)(ke)學中心“非線性力(li)學的多尺度問(wen)題(ti)研(yan)(yan)究(jiu)”項目、國家自然(ran)科(ke)(ke)學基金(jin)重(zhong)大研(yan)(yan)究(jiu)計劃“航空發(fa)動機高溫材(cai)料/先進制造(zao)及故障診(zhen)斷科(ke)(ke)學基礎(chu)”培育項目等的支持。部(bu)分(fen)研(yan)(yan)究(jiu)成果與北(bei)交大等合作(zuo)完成，主要研(yan)(yan)究(jiu)成果發(fa)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(jin)掃描電(dian)子(zi)顯微鏡和電(dian)子(zi)背(bei)散射(she)衍射(she)觀測(ce)結果(σα=588 MPa, R=–1, Nf=1.4×10^8 cyc)。

（a）試樣局部區域(yu)掃描(miao)電子顯微鏡圖像，（b-d）分別是(shi)圖a中方(fang)框區域(yu)的(de)反極圖、相圖以(yi)及(ji)母(mu)體(ti)(ti)晶粒和孿晶變體(ti)(ti)基(ji)面(mian)的(de)施密特因子，（e）微裂(lie)紋附近掃描(miao)電子顯微鏡圖像，（f-h）分別是(shi)圖e中方(fang)框區域(yu)的(de)反極圖、相圖以(yi)及(ji)母(mu)體(ti)(ti)晶粒和孿晶變體(ti)(ti)基(ji)面(mian)的(de)施密特因子，加(jia)載(zai)方(fang)向沿著紙面(mian)向上(shang)和向下。

圖(tu)2.鈦合金超高周疲勞裂紋萌生和(he)初始(shi)擴展(zhan)機(ji)理示(shi)意圖(tu)。

（i）疲(pi)勞(lao)載荷過程(cheng)中(zhong)位錯塞積引起的(de)局部高(gao)應(ying)力誘導孿(luan)晶(jing)、滑移或(huo)(huo)微(wei)(wei)(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)的(de)形成(cheng)。（ii）孿(luan)晶(jing)系統或(huo)(huo)位錯之間的(de)相(xiang)(xiang)互作用導致位錯胞或(huo)(huo)位錯墻(qiang)的(de)形成(cheng)，進而形成(cheng)微(wei)(wei)(wei)尺(chi)度滑移帶和亞微(wei)(wei)(wei)米(mi)(mi)晶(jing)粒(li)，最終(zhong)形成(cheng)納(na)米(mi)(mi)晶(jing)粒(li)；然后，微(wei)(wei)(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)沿著納(na)米(mi)(mi)晶(jing)粒(li)-粗(cu)晶(jing)粒(li)界面(mian)或(huo)(huo)在納(na)米(mi)(mi)晶(jing)粒(li)區(qu)域內形成(cheng)。此過程(cheng)中(zhong)，由于(yu)微(wei)(wei)(wei)結構不(bu)均勻或(huo)(huo)變形不(bu)協調，微(wei)(wei)(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)的(de)形成(cheng)也可以與晶(jing)粒(li)細(xi)化無(wu)關，即微(wei)(wei)(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)形成(cheng)于(yu)α相(xiang)(xiang)團簇、較(jiao)大的(de)α相(xiang)(xiang)或(huo)(huo)α-β界面(mian)。（iii）微(wei)(wei)(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)增長(chang)或(huo)(huo)聯接，并在疲(pi)勞(lao)載荷過程(cheng)中(zhong)進一步誘導晶(jing)粒(li)細(xi)化或(huo)(huo)微(wei)(wei)(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)的(de)形成(cheng)。（iv）過程(cheng)（iii）繼(ji)續，直到裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)萌生和初始擴展階段結束(shu)。

圖(tu)3.增(zeng)材TC4鈦合(he)金超高周疲勞裂紋(wen)萌生和初始擴展速(su)率與壽(shou)命預測。

（a）變幅加載下SEM照片(pian)（σα，H=600 MPa, σα，L=400 MPa, R=–1, σα，L下累積1.6×10^8周次），（b）裂(lie)紋萌(meng)生和初始(shi)擴展區域（Fine Granular Area, FGA）內等效(xiao)裂(lie)紋擴展速率(lv)與(yu)文獻(xian)中裂(lie)紋擴展速率(lv)的(de)比(bi)較(jiao)，（c）不(bu)同(tong)應力比(bi)下S–N數(shu)據以(yi)及R=–1下疲勞壽命預測結(jie)果與(yu)實(shi)驗結(jie)果的(de)比(bi)較(jiao)。

圖4.缺陷引入形(xing)式(shi)和缺陷尺寸對疲勞性能(neng)的影響。

（a）缺陷(xian)引入形式對(dui)增(zeng)材TC4疲(pi)勞(lao)性能影(ying)響，（b）人(ren)工表面缺陷(xian)對(dui)TC17鈦合金疲(pi)勞(lao)性能影(ying)響，實線表示雙對(dui)數(shu)坐標下線性擬合得到的中值S–N曲線。

圖(tu)5.含表面(mian)人工缺陷TC17鈦合金超高周疲(pi)勞原位顯微鏡觀測（σα=368 MPa, R=–1, Nf=1.95×10^7），加載(zai)方(fang)向(xiang)沿著紙面(mian)向(xiang)上和向(xiang)下。

圖6.缺陷對高周和超高周疲勞強(qiang)度影(ying)響的(de)模型結果與實驗結果比較(jiao)。

圖(tu)7.實驗結果與(yu)不同模型預測結果的比較。