最近，中國科學(xué)院金屬研究所建立了材料疲勞性能的高通量測(cè)試技術(shù)和方法，為在役工程構(gòu)件疲勞可靠性“體檢”提供了新思路。

近幾十年來，隨著工程構(gòu)件向輕量化、高效率和高性能等方向發(fā)展，工程構(gòu)件所承受的應(yīng)力越來越高，服役環(huán)境越來越惡劣，疲勞所引發(fā)的工程構(gòu)件失效的案例更是層出不窮（圖1）。工程構(gòu)件疲勞是指材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化，這種疲勞往往會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工程構(gòu)件約90%的失效都與疲勞有關(guān)。對(duì)工程構(gòu)件疲勞可靠性進(jìn)行“體檢”，并“對(duì)癥下藥”進(jìn)行長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，進(jìn)而預(yù)防和減少工程構(gòu)件發(fā)生疲勞失效，這些對(duì)幫助構(gòu)件實(shí)現(xiàn)安全可靠的服役至關(guān)重要。

▲圖1 疲勞失效相關(guān)案例：(a)“彗星”號(hào)客機(jī)殘骸；(b)德國高鐵“ICE 884號(hào)”事故照片。來源：(a)https://mp.weixin.qq.com/s/dMWZObGCwHXUl6cuZLqO9g；(b) http://www.kepu.net.cn/blog/imech/201904/t20190401_478648.html

目前，為了評(píng)價(jià)工程構(gòu)件及各種材料的疲勞可靠性，人們往往依據(jù)ASTM、GB等現(xiàn)行測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行測(cè)試，大量長(zhǎng)時(shí)間的疲勞測(cè)試需要采用足夠數(shù)量的疲勞試樣進(jìn)行，以獲得材料的應(yīng)力幅-壽命曲線和疲勞極限，這種既耗時(shí)又耗材的疲勞測(cè)試方法在工業(yè)界和實(shí)驗(yàn)室已使用了近百年。

然而，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(lǐng)域的飛速發(fā)展，低成本、高效率地評(píng)價(jià)工程材料與構(gòu)件的疲勞性能、預(yù)測(cè)在役構(gòu)件疲勞壽命等需求日益迫切。近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心的張廣平團(tuán)隊(duì)在前期小尺度材料疲勞行為研究的基礎(chǔ)上，提出了材料疲勞性能需要高通量并快速地進(jìn)行評(píng)價(jià)這一理念，設(shè)計(jì)并建立了一種能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)小微試樣進(jìn)行對(duì)稱彎曲疲勞加載測(cè)試的系統(tǒng)（圖2），并在系統(tǒng)上對(duì)核電、高鐵、汽車等領(lǐng)域用的幾種典型工程材料進(jìn)行了高通量疲勞測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)通過對(duì)比和計(jì)算模擬進(jìn)行了驗(yàn)證，建立了材料疲勞性能的高通量測(cè)試技術(shù)和方法。相關(guān)研究以The high-throughput bridge to the rapid evaluation of fatigue reliability of structural engineering materials 為題發(fā)表在《國際疲勞雜志》上。

▲圖2 高通量對(duì)稱彎曲懸臂梁疲勞測(cè)試系統(tǒng)示意圖

該技術(shù)既可模擬標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的疲勞極限升降法并快速獲得材料的疲勞極限，也可一次性獲得應(yīng)力幅/應(yīng)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(shí)僅為前述標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的1/4（圖3a-c）。同時(shí)，科研人員基于經(jīng)典的Tanaka-Mura模型建立了該測(cè)試技術(shù)所獲得的材料疲勞極限，并獲得了標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞極限間轉(zhuǎn)換因子的理論預(yù)測(cè)模型。科研人員還利用該技術(shù)對(duì)一些材料進(jìn)行了疲勞性能評(píng)價(jià)，研究對(duì)象包括經(jīng)不同溫度、長(zhǎng)時(shí)熱暴露和經(jīng)γ射線輻照的核主泵螺栓用F316不銹鋼等。該方法在工程上具備一定的適用性，為先進(jìn)材料的疲勞性能快速評(píng)價(jià)提供了新策略。

▲圖3 (a)典型工程材料高通量方法與標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)試的疲勞性能對(duì)比；(b)轉(zhuǎn)換因子與材料尺度的函數(shù)關(guān)系；(c)采用高通量與標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行疲勞極限測(cè)試所需時(shí)間對(duì)比；(d) 核電用F316鋼經(jīng)輻照和熱暴露服役后高通量疲勞性能測(cè)試與驗(yàn)證。

該技術(shù)的建立對(duì)于核電等關(guān)鍵領(lǐng)域的發(fā)展大有裨益，不僅為在役構(gòu)件的疲勞性能測(cè)試提供了一種低成本、高效快速的新方法，為增材制造復(fù)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(yīng)力/應(yīng)變集中區(qū)域等微小區(qū)域的疲勞性能評(píng)價(jià)提供了有效的評(píng)價(jià)策略及新思路。同時(shí)，這一高通量疲勞性能測(cè)試方法和評(píng)價(jià)技術(shù)有望進(jìn)一步推動(dòng)材料/構(gòu)件疲勞性能數(shù)據(jù)庫的高效建立，為物理模型與數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)的工程構(gòu)件疲勞壽命的快速預(yù)測(cè)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。