疲勞失效是工程構(gòu)件長期可靠服役所面臨的重要問題。為了評價工程構(gòu)件及各種服役材料的疲勞可靠性，人們往往通過測量材料在不同應力幅（S）下的疲勞斷裂壽命或循環(huán)加載發(fā)生失效對應的服役周次（N）來建立材料的應力幅-壽命曲線（即S-N 曲線或Whler曲線）。材料經(jīng)過無窮多次循環(huán)加載而不發(fā)生破壞時的最大應力幅值稱為疲勞極限（或耐久極限），工程上，將這一疲勞極限定義為構(gòu)件在1×107周次仍不發(fā)生持續(xù)裂紋擴展而失效的最大應力幅值。疲勞極限常用于評估材料在低應力水平下的疲勞性能，一些金屬材料具有明顯的疲勞極限。為了得到材料的S-N曲線和疲勞極限，依據(jù)ASTM、GB等現(xiàn)行測試標準，人們通常需要采用足夠數(shù)量的疲勞試樣進行大量長時的疲勞測試，這種既耗時又耗材的疲勞測試方法在工業(yè)界和實驗室已使用了近百年。
隨著航空航天、信息、能源、生物醫(yī)用及人工智能等高科技領域的飛速發(fā)展，低成本、高效快速評價工程材料疲勞性能和預測在役構(gòu)件疲勞壽命的需求日益迫切。例如，核電中不可拆卸的在役工程構(gòu)件、增材制造成形的具有復雜幾何形狀的一體化形性構(gòu)件等的疲勞性能如能進行高通量的快速評價將更具工程意義。目前，盡管人們在一些新材料的高通量制備、材料單一性能（如硬度等）的高通量表征方面取得了相應進展，但如何建立高通量疲勞測試方法與表征技術，實現(xiàn)低成本、快速評估材料疲勞可靠性仍是一個有待解決的關鍵問題。
近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心張廣平團隊在前期小尺度材料疲勞行為研究的基礎上，提出了一種材料疲勞性能高通量、快速評價的思想，設計并建立了一種能夠同時對多個小微試樣（>7個）進行對稱彎曲疲勞加載的測試系統(tǒng)（圖1），并在其上對核電、高鐵、汽車等領域用的幾種典型工程材料進行了高通量疲勞測試，通過對比和計算模擬進行了驗證，建立了材料疲勞性能的高通量測試技術和方法。該技術既可模擬標準規(guī)定的疲勞極限升降法快速獲得材料的疲勞極限，也可一次性獲得應力幅/應變幅-疲勞壽命曲線；并在一周內(nèi)快速獲得材料的疲勞數(shù)據(jù)，耗時僅為采用前述標準測試方法的1/4（圖2a-c）；同時，基于經(jīng)典的Tanaka-Mura模型建立了該測試技術所獲得的材料疲勞極限與標準試樣疲勞極限間轉(zhuǎn)換因子的理論預測模型。此外，利用該技術分別對經(jīng)不同溫度、長時熱暴露和經(jīng)γ射線輻照的核主泵螺栓用F316不銹鋼的疲勞性能進行了評價(圖2d)，證明了該方法在工程實際的適用性，為先進材料的疲勞性能快速評價提供了新策略。
該高通量疲勞性能測試系統(tǒng)、技術與原理的建立不僅為核電等在役關鍵工程構(gòu)件疲勞性能測試提供了一種低成本、高效快速的新方法，且為增材制造復雜形性構(gòu)件、材料表面涂層、腐蝕層和改性層、焊縫區(qū)以及材料結(jié)構(gòu)單元和應力/應變集中區(qū)域等微小區(qū)域的本征疲勞性能評價提供了有效的評價策略，為在役工程構(gòu)件疲勞可靠性“體檢”提供新思路。同時，這一高通量疲勞性能測試方法和評價技術有望進一步推動材料/構(gòu)件疲勞性能數(shù)據(jù)庫的高效建立和物理模型與數(shù)據(jù)雙驅(qū)動的工程構(gòu)件疲勞壽命的快速預測。相關研究成果在International Journal of Fatigue 178 (2024) 107966. (https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2023.107966)上進行了發(fā)表。
該工作是張廣平團隊與東北大學材料科學與工程學院張濱教授團隊合作完成，論文第一作者羅硯文為東北大學、金屬所聯(lián)合培養(yǎng)博士生。本工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金項目的資助。
圖1. 高通量對稱彎曲懸臂梁疲勞測試系統(tǒng)示意圖
圖2. (a)典型工程材料高通量方法與標準方法測試的疲勞性能對比；(b)轉(zhuǎn)換因子與材料尺度的函數(shù)關系；(c)采用高通量與標準方法進行疲勞極限測試所需時間對比；(d) F316鋼服役工況下高通量疲勞性能測試與驗證
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