1.【简介】
循环疲劳是工程系统中许多灾难性故障的根本原因，著名的例子包括飞机、人造心脏瓣膜、假肢装置、电子封装、铁路、桥梁、海上平台以及常规和核电站。 循环载荷引起的金属材料的弱化最终导致在应力下断裂，通常远低于在单向载荷下导致断裂的应力。 此类故障通常在数百万甚至数十亿个周期后发生，这使得故障何时发生的预测变得复杂。
设计能够超过临界循环次数的安全关键部件需要了解材料在所需循环次数下的疲劳强度。 疲劳寿命的变化可能归因于材料加工或部件制造过程中引入的罕见缺陷的存在，或者，如果不存在这些缺陷，则归因于材料本身的固有特性。 高或极高循环疲劳状态下的疲劳强度与金属材料的固有机械性能（包括屈服强度、极限拉伸强度和硬度）之间的相关性已在文献中广泛报道。 疲劳强度随着屈服强度或极限拉伸强度的增加而增加。 随着施加应力的增加，金属材料将发生不可逆变形，表现为局部滑移事件，反复循环将导致疲劳失效。 本文在前人工作的基础上，阐明了金属材料疲劳强度的起源。
2.【结果一览】
近日，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的JC等研究人员，鉴定了大量面心立方、六方密排和体心立方金属材料疲劳强度的物理起源。 确定了屈服强度、极限抗拉强度、疲劳强度和早期滑移局部化事件的物理特征之间的定量关系。 对于滑移变形合金，可以根据第一个加载循环期间的滑移局部幅度来预测疲劳强度。 本文的观察结果为众所周知的经验疲劳定律提供了物理基础，并提供了一种通过测量局部滑移幅度来快速预测疲劳强度的方法。 相关成果以《On the of in》为题发表在国际顶级综合性期刊上。
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3.【核心创新点】
(1)确定了屈服强度、极限抗拉强度、疲劳强度与早期滑移局部物理性能之间的定量关系；
(2)为经验疲劳定律提供物理基础，使得快速预测疲劳强度成为可能。
4.【数据概览】
图1：拉伸性能与疲劳强度的关系； σY 是屈服强度，σU 是极限拉伸强度。 疲劳强度σl是屈服强度（点）和抗拉强度（圆）的百分比。 疲劳试验采用VHCF（频率20kHz，室温拉压循环109次，R=σmin/σmax=−1.0）【钢、钛合金、高温合金、高熵合金（fcc）、铜、镍、钽、铌合金]。 疲劳数据仅限于因滑移而变形且外部缺陷（例如夹杂物或气孔）水平极低的材料 © 2022 AAAS
图2 表面滑移的定量测量； (A) 左图：在扫描电子显微镜下通过 HR-DIC 测量的常规应变场。 右图：不连续 DIC 方法可对变形过程中样品表面上发生的每个单一滑动事件进行定量测量。 本文报道了滑动事件引起的纳米级位移； (B)镍基高温合金和纯铌多晶材料单向加载引起的表面滑移局域化。 (C) 准静态应变速率下单向变形过程中多晶金属的工程应力-应变曲线。 (D) 平均和 5% 最高最大滑移强度作为 0.2% 宏观塑性应变下金属屈服强度的函数。 每个单个滑移事件的最大滑移强度由滑移事件归一化以捕获晶粒尺寸的影响。 (E) 反向加载以研究滑移可逆性。 (F 和 G) 镍基高温合金中的区域在反向加载时表现出完全和部分可逆性。 HR-DIC 获得的位移场的三维表示 ©2022 AAAS
图3 疲劳强度与滑移幅度的函数关系； 采用VHCF加载法测定了不同金属材料的疲劳强度σl。 将滑动引起的局部振幅与在 0.2% 应变下沿一个方向加载时接近于零的疲劳强度（拉伸）比进行比较，或者在完全反向加载后与 -1 的疲劳强度（拉伸-压缩）比进行比较。 ）比较。 点根据屈服强度进行颜色编码 ©2022 AAAS
图4 金属材料疲劳强度和滑移定位幅值的测量； (A) 沉淀强化和固溶强化镍基高温合金 718 的疲劳曲线，在 VHCF 系统中以 -1 的比率进行测试。 最大应力显示为 MPa（左）和屈服强度的百分比（右）。 (B) 沉淀强化和固溶强化718在全反向加载下的相关工程应力应变曲线。 (C) 拉伸截面（黑色）和完全反向加载（红色）后通过沉淀强化的合金 718 的最大滑移强度分布。 负值表示相反的滑动事件； 正值与挤压方向有关。 压缩分布的横轴（计数）已经过调整，以便更好地进行比较。 (D) 与 (C) 相同钢材的疲劳强度，使用固溶增强 718 ©2022 AAAS
图5 体心立方金属的疲劳和局域化； (A)各种金属的疲劳强度与屈服强度成正比。 在VHCF状态下[钢； 钛合金； 高温合金； 高熵合金（FCC）； Cu、Ni、Ta、Nb合金]及高周疲劳状态[Mo、W、Ta、Nb、Fe、Co合金； 合金; 钢 ; 铝; 镁; (B) 各种金属的平均滑移强度和高达 5% 的最大滑移强度与金属屈服强度的函数关系。 每个单次滑移事件的最大滑移强度是滑移事件归一化以获得晶粒尺寸的影响 ©2022 AAAS
五、【总结与展望】
金属材料的疲劳循环变形已导致数以千计的故障或事故。 将疲劳强度与微观组织有机地定量联系起来是非常困难的。 这项研究建立了一个通过拉伸力学性能预测疲劳性能的物理模型钢材的疲劳强度，为轻松预测疲劳强度铺平了道路。
本文由虚谷那吾贡献。
