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(fā)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(huán)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(tǒng)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(guī)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。

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(fā)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，提出了鈦合金超高周疲勞裂紋萌生和初始擴展機理；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(qū)域的等效裂紋擴展速率在10-13～10-11m/cycle 量級，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。

研究發(fā)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(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(fā)生失效。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(xié)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(lián)缺陷對鈦合金疲勞強度的影響，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。