長壽命、高可靠是重大工程裝備的重要指標(biāo)，特別是以先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)和高鐵車軸為代表的關(guān)鍵部件，服役壽命內(nèi)承受了超過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(tǒng)基于疲勞極限（對應(yīng)107周次）的疲勞強(qiáng)度與壽命設(shè)計理念，成為近年來疲勞研究的前沿和熱點(diǎn)。因此，揭示超高周疲勞的微觀機(jī)理和規(guī)律等科學(xué)問題，建立疲勞壽命與疲勞強(qiáng)度的準(zhǔn)確預(yù)測模型，將具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。

左圖為含表面人工缺陷TC17 鈦合金超高周疲勞原位顯微鏡觀測。

力學(xué)所非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實驗室微結(jié)構(gòu)計算力學(xué)課題組以航空發(fā)動機(jī)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，提出了鈦合金超高周疲勞裂紋萌生和初始擴(kuò)展機(jī)理；通過巧妙的變幅加載設(shè)計，測得超高周疲勞裂紋萌生和初始擴(kuò)展區(qū)域的等效裂紋擴(kuò)展速率在10-13～10-11m/cycle 量級，進(jìn)而對超高周疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果吻合。

研究發(fā)現(xiàn)，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(guān)。對于材料內(nèi)部缺陷，高周和超高周疲勞S–N曲線呈現(xiàn)連續(xù)下降特征，而表面人工缺陷試樣S–N曲線具有平臺區(qū)特征。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(nèi)部缺陷誘導(dǎo)的超高周疲勞失效不同，表面人工缺陷誘導(dǎo)的超高周疲勞未呈現(xiàn)伴隨納米晶粒形成的、緩慢的裂紋萌生和初始擴(kuò)展過程；一旦裂紋萌生，裂紋將快速增長，試樣在很少周次內(nèi)發(fā)生失效。認(rèn)為這種失效是疲勞載荷與時間相關(guān)過程（如水氣影響、氫的作用等）的協(xié)同作用所致。進(jìn)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(qiáng)度的影響模型。該模型不但能用于關(guān)聯(lián)缺陷對鈦合金疲勞強(qiáng)度的影響，而且也有效用于文獻(xiàn)中缺陷（包括裂紋）對一些金屬材料高周疲勞強(qiáng)度的影響。