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

近幾十年來，隨著工程構件向輕量化、高效率和高性能等方向發展，工程構件所承受的應力越來越高，服役環境越來越惡劣，疲勞所引發的工程構件失效的案例更是層出不窮（圖1）。工程構件疲勞是指材料在應力或應變的反復作用下所發生的性能變化，這種疲勞往往會導致材料發生斷裂失效。據統計，工程構件約90%的失效都與疲勞有關。對工程構件疲勞可靠性進行“體檢”，并“對癥下藥”進行長壽命設計，進而預防和減少工程構件發生疲勞失效，這些對幫助構件實現安全可靠的服役至關重要。

▲圖1 疲勞失效相關案例：(a)“彗星”號客機殘骸；(b)德國高鐵“ICE 884號”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，為了評價工程構件及各種材料的疲勞可靠性，人們往往依據ASTM、GB等現行測試標準來進行測試，大量長時間的疲勞測試需要采用足夠數量的疲勞試樣進行，以獲得材料的應力幅-壽命曲線和疲勞極限，這種既耗時又耗材的疲勞測試方法在工業界和實驗室已使用了近百年。

然而，隨著航空航天、信息、能源、生物醫用及人工智能等高科技領域的飛速發展，低成本、高效率地評價工程材料與構件的疲勞性能、預測在役構件疲勞壽命等需求日益迫切。近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心的張廣平團隊在前期小尺度材料疲勞行為研究的基礎上，提出了材料疲勞性能需要高通量并快速地進行評價這一理念，設計并建立了一種能夠同時對多個小微試樣進行對稱彎曲疲勞加載測試的系統（圖2），并在系統上對核電、高鐵、汽車等領域用的幾種典型工程材料進行了高通量疲勞測試。該實驗通過對比和計算模擬進行了驗證，建立了材料疲勞性能的高通量測試技術和方法。相關研究以The high-throughput bridge to the rapid evaluation of fatigue reliability of structural engineering materials 為題發表在《國際疲勞雜志》上。

▲圖2 高通量對稱彎曲懸臂梁疲勞測試系統示意圖

該技術既可模擬標準規定的疲勞極限升降法并快速獲得材料的疲勞極限，也可一次性獲得應力幅/應變幅-疲勞壽命曲線，并在一周內快速獲得材料的疲勞數據，耗時僅為前述標準測試的1/4（圖3a-c）。同時，科研人員基于經典的Tanaka-Mura模型建立了該測試技術所獲得的材料疲勞極限，并獲得了標準試樣疲勞極限間轉換因子的理論預測模型。科研人員還利用該技術對一些材料進行了疲勞性能評價，研究對象包括經不同溫度、長時熱暴露和經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，為先進材料的疲勞性能快速評價提供了新策略。

▲圖3 (a)典型工程材料高通量方法與標準方法測試的疲勞性能對比；(b)轉換因子與材料尺度的函數關系；(c)采用高通量與標準方法進行疲勞極限測試所需時間對比；(d) 核電用F316鋼經輻照和熱暴露服役后高通量疲勞性能測試與驗證。

該技術的建立對于核電等關鍵領域的發展大有裨益，不僅為在役構件的疲勞性能測試提供了一種低成本、高效快速的新方法，為增材制造復雜形性構件、材料表面涂層、腐蝕層和改性層、焊縫區以及材料結構單元和應力/應變集中區域等微小區域的疲勞性能評價提供了有效的評價策略及新思路。同時，這一高通量疲勞性能測試方法和評價技術有望進一步推動材料/構件疲勞性能數據庫的高效建立，為物理模型與數據雙驅動的工程構件疲勞壽命的快速預測提供了技術基礎。