文章背景

     金屬疲勞的本質(zhì)是循環(huán)載荷下不可逆損傷的累積，這一“無形殺手”曾釀成1950年彗星客機(jī)解體慘劇，至今仍使90%金屬構(gòu)件面臨失效風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)強(qiáng)化路徑深陷“強(qiáng)度-壽命權(quán)衡”困局：提升強(qiáng)度需引入晶界/相界阻礙位錯(cuò)，卻加劇應(yīng)變局域化和損傷積累，導(dǎo)致高強(qiáng)材料疲勞壽命驟降。2000年盧柯、盧磊團(tuán)隊(duì)在納米銅室溫超塑性研究中首度窺見轉(zhuǎn)機(jī)——當(dāng)晶粒尺寸降至納米級(jí)，材料竟可產(chǎn)生300%延伸率，顛覆了“納米材料必脆”的認(rèn)知（2000年中國(guó)十大科技進(jìn)展）。

     這一發(fā)現(xiàn)催生了孿晶界面調(diào)控理論的誕生：2004年盧磊團(tuán)隊(duì)在《Science》提出納米孿晶協(xié)同強(qiáng)韌化新機(jī)制——通過脈沖電解沉積制備出孿晶片層<100nm的純銅，15nm極值尺度下實(shí)現(xiàn)1GPa強(qiáng)度（普通銅10倍）與13%延伸率并存。其核心突破在于揭示了共格孿晶界的雙重角色：既作為位錯(cuò)阻礙體提升強(qiáng)度，又充當(dāng)位錯(cuò)存儲(chǔ)體吸納塑性變形。2017年《Nature》論文更發(fā)現(xiàn)革命性現(xiàn)象：納米孿晶銅在循環(huán)載荷下形成“項(xiàng)鏈狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)”，孿晶界引導(dǎo)位錯(cuò)往復(fù)可逆運(yùn)動(dòng)，首次實(shí)現(xiàn)“與歷史無關(guān)的穩(wěn)定循環(huán)響應(yīng)”，幾乎消除累積損傷。該工作被評(píng)價(jià)為“為抗疲勞材料設(shè)計(jì)點(diǎn)亮燈塔”。

      正是基于二十年對(duì)納米孿晶界面機(jī)制的深刻認(rèn)知，中科院金屬所盧磊、潘慶松在Nature Materials撰文，系統(tǒng)闡釋了金屬疲勞研究從1830年經(jīng)驗(yàn)公式到現(xiàn)代多尺度理論的演進(jìn)歷程，直擊當(dāng)前核心矛盾：航空航天、核反應(yīng)堆等極端場(chǎng)景對(duì)材料同時(shí)提出超高強(qiáng)度與十億次循環(huán)壽命的要求。作者團(tuán)隊(duì)通過梯度納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在銅、不銹鋼等模型材料中實(shí)現(xiàn)革命性突破：表面100-200μm納米晶層提供98MPa疲勞強(qiáng)度（接近傳統(tǒng)超細(xì)晶銅的2倍），心部粗晶維持優(yōu)異延展性，使疲勞壽命倍增。這種空間異構(gòu)設(shè)計(jì)顛覆了"香蕉形"疲勞強(qiáng)度-壽命權(quán)衡定律。本文明確定義未來三大方向：增材制造非平衡組織調(diào)控、機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的多組分合金設(shè)計(jì)、跨尺度原位表征技術(shù)融合，為突破金屬疲勞的世紀(jì)瓶頸繪制了清晰路線圖。

內(nèi)容介紹

     本文系統(tǒng)分析了金屬疲勞強(qiáng)度（σ_-1）與抗拉強(qiáng)度（σ_UTS）的非線性關(guān)系，指出傳統(tǒng)均質(zhì)材料存在強(qiáng)度-壽命權(quán)衡矛盾：高強(qiáng)材料（如超細(xì)晶銅）雖提升疲勞強(qiáng)度，卻因塑性變形能力下降導(dǎo)致低周疲勞壽命驟減。作者團(tuán)隊(duì)提出空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，通過納米孿晶與梯度納米結(jié)構(gòu)打破這一局限。例如，高取向納米孿晶銅（nt-Cu）同時(shí)實(shí)現(xiàn)90MPa的高疲勞強(qiáng)度（接近超細(xì)晶銅）和優(yōu)于粗晶銅的低周疲勞壽命；梯度納米晶銅（GNG-Cu）則利用表面至芯部的晶粒尺寸梯度（~100nm至微米級(jí)），使疲勞效率（σ_-1/σ_UTS）達(dá)0.4，并在相同總應(yīng)變幅下將疲勞壽命翻倍。這種設(shè)計(jì)通過調(diào)控位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與應(yīng)變分布，解決了均質(zhì)材料中循環(huán)應(yīng)變局部化的核心問題，為高抗疲勞材料開發(fā)提供新范式。

     通過原位表征技術(shù)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)梯度納米結(jié)構(gòu)可抑制疲勞損傷累積。均質(zhì)超細(xì)晶銅在循環(huán)載荷下易發(fā)生晶粒異常粗化和循環(huán)軟化，而梯度納米晶銅通過分層屈服行為實(shí)現(xiàn)應(yīng)變空間再分布：初始階段彈性-塑性應(yīng)變幅（Δε-el/2與Δε-pl/2）沿深度梯度形成；后續(xù)循環(huán)中，塑性應(yīng)變從芯部粗晶區(qū)逐步擴(kuò)展至表層納米晶區(qū)（圖3h箭頭）。這種漸進(jìn)式屈服轉(zhuǎn)變有效抵消了均質(zhì)材料的應(yīng)變局部化傾向（如粗晶銅的滑移帶集中，圖3a-c）。進(jìn)一步研究表明，該機(jī)制源于梯度界面誘導(dǎo)的位錯(cuò)穩(wěn)定構(gòu)型（如可逆“項(xiàng)鏈位錯(cuò)”）和協(xié)調(diào)變形能力，使材料在10⁷次循環(huán)后仍保持微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)抗疲勞材料提供了微觀力學(xué)基礎(chǔ)，尤其適用于需兼顧高強(qiáng)韌性與長(zhǎng)壽命的極端工況部件。

      針對(duì)航空航天、核能等領(lǐng)域的多場(chǎng)耦合疲勞挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)材料（如304不銹鋼）。在非對(duì)稱循環(huán)載荷下，該材料通過變形誘導(dǎo)馬氏體相變形成六方密排納米層，顯著提升抗棘齒（ratcheting）性能：其歸一化最大應(yīng)力（σ_max/E）下的平均棘齒應(yīng)變速率比均質(zhì)材料低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，結(jié)合多主元合金設(shè)計(jì)（如NASA GRX-810鎳鈷鉻基高熵合金），利用氧化物彌散強(qiáng)化與成分調(diào)控，實(shí)現(xiàn)高溫蠕變疲勞抗力與低溫?fù)p傷容限的統(tǒng)一。研究還指出，層狀金屬陶瓷復(fù)合材料可通過界面韌化機(jī)制（裂紋偏轉(zhuǎn)、橋接等）阻斷裂紋擴(kuò)展。這些創(chuàng)新兼顧了復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性（高溫氧化、氫脆、腐蝕疲勞）與多軸載荷耐受性，為深空探測(cè)等任務(wù)提供材料解決方案。

     未來金屬抗疲勞研究面臨的核心挑戰(zhàn)在于極端環(huán)境多場(chǎng)耦合機(jī)制的量化與跨尺度穩(wěn)定性的協(xié)同控制。在深空探測(cè)、核反應(yīng)堆等場(chǎng)景中，材料需同步抵御高溫、腐蝕介質(zhì)及深冷相變脆性，而現(xiàn)有模型難以精確描述這些交互作用；其次，增材制造等新工藝雖能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件，但非平衡態(tài)缺陷顯著加劇疲勞損傷；再者，梯度/層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)雖提升疲勞抗力，但納米界面在超長(zhǎng)周次循環(huán)（>10⁹次）下的演化機(jī)制不明，多相材料界面協(xié)調(diào)變形能力不足，且缺乏梯度參數(shù)（斜率、特征尺度）的普適設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，需借助等離子聚焦離子束等原位技術(shù)解析微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)；最后，傳統(tǒng)Basquin方程無法量化異質(zhì)結(jié)構(gòu)的非均勻損傷，高溫/腐蝕環(huán)境下的高分辨率應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量（如HR-DIC）與原位觀測(cè)技術(shù)存在缺口，必須發(fā)展融合位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)與機(jī)器學(xué)習(xí)的多尺度智能預(yù)測(cè)框架，構(gòu)建從微觀機(jī)制到工程壽命的可靠橋梁。

文章結(jié)論

圖文解析

圖1、疲勞強(qiáng)度與拉伸性能的關(guān)系© 2025 Springer Nature Limited

圖2、應(yīng)力應(yīng)變控制下的疲勞壽命© 2025 Springer Nature Limited

圖3、不同微觀結(jié)構(gòu)純Cu的疲勞機(jī)制© 2025 Springer Nature Limited

圖4、合金的疲勞機(jī)制© 2025 Springer Nature Limited

     圖1系統(tǒng)揭示金屬疲勞強(qiáng)度（σ_-1）與抗拉強(qiáng)度（σ_UTS）的非線性關(guān)聯(lián)，指出均質(zhì)材料（如超細(xì)晶銅）因塑性喪失導(dǎo)致低周疲勞壽命驟降，建立異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)；圖2對(duì)比不同材料的疲勞性能：梯度納米晶銅（GNG-Cu）在相同應(yīng)變幅下壽命較均質(zhì)材料翻倍，且高取向納米孿晶銅（nt-Cu）同時(shí)實(shí)現(xiàn)高疲勞強(qiáng)度（90MPa）與長(zhǎng)壽命，突破傳統(tǒng)強(qiáng)度-壽命矛盾；圖3通過原位電鏡揭示機(jī)制：梯度結(jié)構(gòu)通過分層屈服抑制應(yīng)變局部化；圖4驗(yàn)證極端環(huán)境應(yīng)用：梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)304不銹鋼顯著降低棘齒應(yīng)變速率，層狀金屬陶瓷復(fù)合材料通過界面韌化機(jī)制阻斷裂紋擴(kuò)展，凸顯其在多場(chǎng)耦合載荷下的工程價(jià)值。