BOB半岛:老铁“疲劳”了没有？用新技术来做个“体检”｜科技最

　　“科技最前线”栏目，旨在介绍中国科学院最新的科技成果，以通俗易懂的形式介绍最新、最前沿的科技动态，欢迎关注。最近，中国科学院金属研究所近几十年来，随着工程构件向轻量化、高效率和高性能等方向发展，工程构件所承受的应力越来越高，服役环境越来越恶劣，疲劳所引发的工程构件失效的案例更是层出不穷（图1）。工程构件疲劳是指材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化，这种疲劳往往会导致材料发生断裂失效。据统计，工程构件约90%的失效都与疲劳有关。对工程构件疲劳可靠性进行“体检”，并“对症下药”进行长寿命设计，进而预防和减少工程构件发生疲劳失效，这些对帮助构件实现安全可靠的服役至关重要。

　　▲图1 疲劳失效相关案例：(a)“彗星”号客机残骸；(b)德国高铁“ICE 884号”事故照片。图片来源：(a)；(b)

　　目前，为了评价工程构件及各种材料的疲劳可靠性，人们往往依据ASTM、GB等现行测试标准来进行测试，大量长时间的疲劳测试需要采用足够数量的疲劳试样进行，以获得材料的应力幅-寿命曲线和疲劳极限，这种既耗时又耗材的疲劳测试方法在工业界和实验室已使用了近百年。

　　然而，随着航空航天、信息、能源、生物医用及人工智能等高科技领域的飞速发展，低成本、高效率地评价工程材料与构件的疲劳性能、预测在役构件疲劳寿命等需求日益迫切。近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心的张广平团队在前期小尺度材料疲劳行为研究的基础上，提出了材料疲劳性能需要高通量并快速地进行评价这一理念，设计并建立了一种能够同时对多个小微试样进行对称弯曲疲劳加载测试的系统（图2），并在系统上对核电、高铁、汽车等领域用的几种典型工程材料进行了高通量疲劳测试。该实验通过对比和计算模拟进行了验证，建立了材料疲劳性能的高通量测试技术和方法。相关研究以The high-throughput bridge to the rapid evaluation of fatigue reliability of structural engineering materials 为题发表在《国际疲劳杂志》上。

　　该技术既可模拟标准规定的疲劳极限升降法并快速获得材料的疲劳极限，也可一次性获得应力幅/应变幅-疲劳寿命曲线，并在一周内快速获得材料的疲劳数据，耗时仅为前述标准测试的1/4（图3a-c）。同时，科研人员基于经典的Tanaka-Mura模型建立了该测试技术所获得的材料疲劳极限，并获得了标准试样疲劳极限间转换因子的理论预测模型。科研人员还利用该技术对一些材料进行了疲劳性能评价，研究对象包括经不同温度、长时热暴露和经γ射线不锈钢等。该方法在工程上具备一定的适用性，为先进材料的疲劳性能快速评价提供了新策略。

　　▲图3 (a)典型工程材料高通量方法与标准方法测试的疲劳性能对比；(b)转换因子与材料尺度的函数关系；(c)采用高通量与标准方法进行疲劳极限测试所需时间对比；(d) 核电用F316钢经辐照和热暴露服役后高通量疲劳性能测试与验证。

　　该技术的建立对于核电等关键领域的发展大有裨益，不仅为在役构件的疲劳性能测试提供了一种低成本、高效快速的新方法，为增材制造复杂形性构件、材料表面涂层、腐蚀层和改性层、焊缝区以及材料结构单元和应力/应变集中区域等微小区域的疲劳性能评价提供了有效的评价策略及新思路。同时，这一高通量疲劳性能测试方法和评价技术有望进一步推动材料/构件疲劳性能数据库的高效建立，为物理模型与数据双驱动的工程构件疲劳寿命的快速预测提供了技术基础。