長壽命高可靠是重大工程裝備的重要指標，特別是以先進航空發動機和高鐵車軸為代表的關鍵部件，服役壽命內承受了超過107甚至1010周次的循環載荷作用，進入了超高周疲勞（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，成為近年來疲勞研究的前沿和熱點。因此，揭示超高周疲勞的微觀機理和規律等科學問題，建立疲勞壽命與疲勞強度的準確預測模型，將具有重要的科學意義和工程應用價值。

　　力學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TC17鈦合金和增材TC4鈦合金為研究對象，揭示了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），提出了鈦合金超高周疲勞裂紋萌生和初始擴展機理（圖2）；通過巧妙的變幅加載設計，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），進而對超高周疲勞壽命進行了預測，預測結果與實驗結果吻合（圖3c）。

　　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(σα=588 MPa, R=–1, Nf=1.4×108 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，微裂紋沿著納米晶粒-粗晶粒界面或在納米晶粒區域內形成. 此過程中，由于微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，即微裂紋形成于α相團簇、較大的α相或α-β界面. (iii) 微裂紋增長或聯接，并在疲勞載荷過程中進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1.6×108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驗結果的比較。

　　研究發現，材料缺陷不僅會顯著降低鈦合金的疲勞性能，而且缺陷對高周和超高周疲勞行為的影響與其引入形式密切有關。對于材料內部缺陷，高周和超高周疲勞S–N曲線呈現連續下降特征，而表面人工缺陷試樣S–N曲線具有平臺區特征（圖4）。原位顯微鏡觀測以及掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀測表明，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伴隨納米晶粒形成的、緩慢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，試樣在很少周次內發生失效（圖5）。認為這種失效是疲勞載荷與時間相關過程（如水氣影響、氫的作用等）的協同作用所致。進一步提出試樣幾何形狀和表面缺陷對鈦合金高周和超高周疲勞強度的影響模型。該模型不但能用于關聯缺陷對鈦合金疲勞強度的影響（圖6a），而且也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）。

　　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. 實線表示雙對數坐標下線性擬合得到的中值S–N曲線。

　　圖5 含表面人工缺陷TC17鈦合金超高周疲勞原位顯微鏡觀測(σα=368 MPa, R=–1, Nf=1.95×107). 加載方向沿著紙面向上和向下。

　　圖6 缺陷對高周和超高周疲勞強度影響的模型結果與實驗結果比較.

　　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也進行了對比研究。多種材料實驗數據表明，Walker公式σα,R=σα,-1[(1–R)/2]γ相比Goodman公式σa,R=σα,-1[1–(σm/σb)]和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。

　　圖7實驗結果與不同模型預測結果的比較.

　　相關研究得到國家自然科學基金基礎科學中心“非線性力學的多尺度力學研究”項目(11988102)、國家自然科學基金重大研究計劃“航空發動機高溫材料/先進制造及故障診斷科學基礎”培育項目(91860112)等支持。部分研究結果是與北交大等合作完成，主要研究成果發表在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。