長壽命、高可靠是重大工程裝備的重要指（zhǐ）標，特別是以先進航空（kōng）發動機和（hé）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周次的循環載荷作用，進入了超高周疲（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（zhōu）次）的疲勞強度與壽命設計理念（niàn），成為近年來疲勞研（yán）究的前沿和熱（rè）點。因此，研究揭示超高周疲勞的微觀機理和規律等科學問（wèn）題，建立（lì）疲勞（láo）壽命與疲（pí）勞強度的準確預測模型，具重要的科（kē）學（xué）意義和（hé）工程應用價值。

中國科學院力學（xué）研（yán）究所（suǒ）非線性力學國家重點實驗室微結構（gòu）計算力學課題組以航空發動機用TC17鈦合金和增（zēng）材TC4鈦合金（jīn）為研究對象，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（gāo）周疲勞裂紋萌生和（hé）初始擴展機理（圖2）；研究通過變幅（fú）加載設計，測得超高周疲勞裂紋萌生和初（chū）始擴展區域的等效（xiào）裂紋擴展速率（lǜ）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測，預測結果與實驗結果吻合（hé）（圖3c）。

研究發現，材料缺陷不僅會顯著降低鈦合金的疲勞性能，而（ér）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（shì）密切有關。對於材料內部缺陷（xiàn），高周和超高周（zhōu）疲勞S–N曲線呈現連續下降（jiàng）特征，而表麵人（rén）工缺（quē）陷試樣S–N曲（qǔ）線具平台區特征（圖4）。原位顯微（wēi）鏡、掃描電子（zǐ）顯微鏡和透射電子顯微（wēi）鏡觀（guān）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疲勞未呈現緩慢的、隨納米晶粒形成的裂紋（wén）萌生和初始擴（kuò）展過程，一旦裂紋萌生，裂紋將快速（sù）增長，試樣在很少周次內失效（圖5）。科（kē）研人（rén）員（yuán）認為這種失效是疲（pí）勞（láo）載荷（hé）與時間相關過程（如水（shuǐ）氣影響、氫的作用等（děng））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（láo）強度的影響（圖6a），而且有效用（yòng）於（yú）文獻中缺陷（包括裂紋）對一些金屬材（cái）料高周疲勞強度的影響（圖6b-6f）。

科研團隊對幾（jǐ）種常用（yòng）的應力比對高周疲（pí）勞強度影響模型在超高（gāo）周疲勞（láo）範疇的預測 能（néng）力進行（háng）了對比研究。多種材料實驗數據表明，Walker公式σα，R=σα，-1[(1–R)/2]γ相比（bǐ）Goodman公式（shì）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（yù）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（lì）比R和–1下的疲勞強度，σm和σb是平均（jun1）應力和拉伸強度，γ是材料（liào）參數。

研究工（gōng）作得到國家自然科學基金基礎科學中（zhōng）心“非線性力學的（de）多尺度問題研究（jiū）”項目、國家自（zì）然科學基金重大研究計劃“航空發動（dòng）機高（gāo）溫（wēn）材（cái）料/先進製造及故（gù）障診（zhěn）斷科學基礎”培育項目等的支持（chí）。部分研究成果（guǒ）與北交（jiāo）大等合作完成，主要研究成果發（fā）表（biǎo）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（tú）1.TC17鈦（tài）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（diàn）子顯微鏡圖像，（b-d）分（fèn）別是圖a中方框區（qū）域的反極圖（tú）、相圖以及母體（tǐ）晶粒和孿晶變體基麵的施（shī）密特因子，（e）微裂紋附近掃（sǎo）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（yǐ）及母體晶粒和孿晶變體基麵的施密特因子，加載（zǎi）方向沿（yán）著紙麵向上（shàng）和向下。

圖2.鈦合金超高周疲（pí）勞裂紋萌生和初（chū）始擴展（zhǎn）機理示意（yì）圖。

（i）疲勞（láo）載（zǎi）荷過程中位錯（cuò）塞（sāi）積引起的局部高應力（lì）誘導孿晶、滑移或微裂紋的形成。（ii）孿（luán）晶係統（tǒng）或位錯之間的相互作（zuò）用導致位（wèi）錯胞或（huò）位錯牆的形成，進而形成微尺度（dù）滑移帶和亞微米晶粒，最（zuì）終形成納米晶粒（lì）；然後，微裂紋沿著納米晶粒-粗晶粒界麵（miàn）或在納米晶粒（lì）區域內（nèi）形成。此過程中（zhōng），由於微結構不均勻或變（biàn）形不協調，微裂紋的（de）形成（chéng）也可以（yǐ）與晶粒細化無關（guān），即微裂紋形成於（yú）α相團簇、較大的α相或α-β界麵。（iii）微裂紋增長或聯接，並在疲勞載荷過程中進一步誘導（dǎo）晶粒細化或微裂紋的形成（chéng）。（iv）過程（iii）繼續，直到裂紋萌生和初始（shǐ）擴展階段結束。

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

（a）變幅加載下SEM照片（piàn）（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（lǜ）與文獻中裂紋擴展速率的比較，（c）不同應力比下（xià）S–N數（shù）據以及R=–1下疲勞壽命預測結果與實驗結果（guǒ）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（xìng）能影響，（b）人工表麵缺陷對TC17鈦（tài）合金疲勞性能影（yǐng）響，實線（xiàn）表示（shì）雙對數（shù）坐標下線（xiàn）性擬合得到（dào）的中值S–N曲線。

圖5.含表麵人（rén）工缺陷TC17鈦（tài）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與實驗結果比較。

圖7.實驗（yàn）結果與不同模（mó）型預測結果的比較。