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疲劳失效始终是金属结构部件最关键的失效模式。目前大多数提升疲劳抗性的微观结构策略仅能有效抑制裂纹萌生或扩展，往往难以协同实现两者。

本研究通过设计一种梯度结构解决了这一难题：该结构在纯钛表面构建了类珍珠层纳米层状组织，并辅以内部多变体孪晶结构。

纳米层状层中高度规整的晶界在循环载荷下呈现极化协调，增强了结构稳定性（抑制层状增厚和微观结构软化），从而延缓表面粗糙化及裂纹萌生。

纳米层状晶粒沿水平大角度晶界的解理导致疲劳裂纹偏转频率异常升高（≈1.7×10?次/毫米），使裂纹扩展速率显着降低（比均质粗晶材料低2个数量级）。这些表面纳米层状结构的特性，结合亚表层孪晶结构激活的多重韧化机制，使得其疲劳抗性远超均质及等轴晶梯度结构。

本研究提出的表面纳米层状梯度结构设计，为开发高抗疲劳合金提供了可规模化、可持续的策略。

2. 文章亮点

1. 梯度结构设计：表面纳米层状与内部孪晶协同增效

通过超声表面滚压技术（鲍厂搁笔）在纯钛表面构建&濒迟;200μ尘的类珍珠层纳米层状结构（平均厚度210苍尘），结合亚表层多变体孪晶，实现同步抑制疲劳裂纹萌生（延缓表面粗化）和扩展（裂纹偏转频率达≈1.7×10?次/毫米），疲劳寿命提升10-100倍。

2. 纳米层状晶界的极化协调机制

水平大角度晶界（贬础骋叠蝉）与垂直低角度晶界（尝础骋叠蝉）的几何排列，通过循环载荷下的极化协调和尝础骋叠蝉“牺牲性"湮灭，显着增强结构稳定性（抑制晶粒增厚和软化），表面层晶粒厚度循环后仅增28%，远低于等轴晶（3-10倍）。

3. 仿生裂纹偏转与多重韧化

纳米层状结构引发类珍珠层阶梯式裂纹路径（80%沿晶断裂），90°偏转角使有效应力强度因子降低44%；结合孪晶层的裂纹钝化/分支机制，裂纹扩展速率比粗晶材料低2个数量级，突破传统高强材料“强-韧"矛盾。

3. 研究背景

金属结构部件的失效约90%归因于循环载荷导致的疲劳断裂，这在航空航天、交通运输、电站和船舶等安全关键领域尤为突出。

疲劳失效分为两个阶段：(a) 位错等晶格缺陷积累引发应变局域化，最终导致局部区域裂纹萌生；(b) 裂纹在应力场驱动下扩展，该过程受相组成、界面特性和层错能等微观结构因素影响。理想的抗疲劳策略需同时抑制裂纹萌生与扩展，但现有方法往往仅针对其一：强化材料（如引入位错阻挡界面/析出相）虽能抑制裂纹萌生，却会限制位错滑移对裂纹的钝化能力，反而加速扩展；而通过裂纹偏转、分支等"外在"韧化机制调控微观结构，仅能延缓裂纹扩展而对萌生无效。

近年提出的梯度结构设计（如梯度晶粒尺寸或孪晶密度）虽能部分协调这一矛盾——表层细晶提供高强度抑制萌生，内部粗晶通过位错容纳能力延缓扩展，但仍存在两大局限：(1) 循环载荷下表层细晶异常长大，促进应变局域化和裂纹萌生；(2) 高强表层损伤容限差，裂纹一旦萌生会快速扩展至与表层厚度（通常200-800μm）相当的尺寸。短裂纹扩展阶段在低/高周疲劳中分别占寿命的50%和40%，因此设计兼具机械稳定性和抗裂纹扩展能力的表层结构成为梯度材料性能突破的关键。

本研究通过超声表面滚压技术（鲍厂搁笔）在纯钛中构建梯度结构：表层为&濒迟;200μ尘的类珍珠层纳米层状组织（平均厚度210苍尘），亚表层为多变体孪晶结构。纳米层中高度规整的晶界通过极化协调循环载荷，抑制层状增厚和微观结构软化，从而延缓表面粗糙化与裂纹萌生；水平大角度晶界解理导致裂纹偏转频率异常升高（≈1.7×10?次/毫米），使扩展速率比粗晶材料低2个数量级。结合亚表层孪晶激活的多重韧化机制，该梯度结构的疲劳寿命比均质/等轴晶梯度结构提升10-100倍，为高抗疲劳合金设计提供了可规模化应用的解决方案。

4. 图文解析

图1. 表面纳米层状梯度钛的微观结构

a 超声表面滚压处理示意图，该处理在表层形成类珍珠层纳米层状（即“砖-泥"结构）结构，配图为Nucula sulcata贝壳及珍珠典型微观结构的SEM图像。b 电子通道衬度（ECC）图像显示从表面至深度≈500μm的梯度结构纵向视图。c 扫描透射电子显微镜明场（STEM-BF）图像，取自b中大致标记区域，展示深度≈50μm处的纳米层状结构，部分晶界取向差角已标注。d 电子背散射衍射（EBSD）-反极图（IPF）叠加图像质量（IQ）图，对应b中虚线矩形框区域。e 表层（亚表面深度<100μm）纳米层状晶粒长径比分布。f 纳米层状区域（亚表面深度≈50μm）垂直与水平晶界的取向差角分布。g EBSD界面图，展示d中虚线矩形框区域的亚表层机械孪晶类型。图2. 表面纳米层状梯度钛的疲劳抗性

a 表面纳米层状梯度钛与均质粗晶（CG）钛及梯度等轴晶（GEG）钛的应力幅-寿命曲线对比。b 疲劳裂纹扩展速率（da/dN）随应力强度因子范围（ΔK）的变化曲线。c ΔK=5 MPa·m^0.5时，不同微观结构纯钛的疲劳裂纹扩展速率与屈服强度关系对比，数据包括均质CG/超细晶（UFG）结构12,59-63及本工作的纳米层状结构。图3. 疲劳载荷下表面纳米层状结构的微观演化

a,b 疲劳测试前（a）后（b）纳米层状结构的STEM-BF图像（应力幅216 MPa，1.4×10^5次循环）。c 疲劳前后纳米层状晶粒厚度与长度分布统计。d,e 疲劳前后纳米层状区域的EBSD极图，显示织构基本不变。f-j 原子模拟展示循环载荷下垂直低角度晶界（LAGBs）的动态演化：f,j 疲劳前后界面构型（蓝色为HCP原子，红色为FCC原子，青色为非结构原子）；g-i 虚线框区域LAGBs的湮灭过程（箭头为位错滑移路径）。图4. 表面纳米层状梯度钛的疲劳裂纹路径特征

a 含单边缺口样品的疲劳加载示意图。b 纳米层状层中阶梯状裂纹路径（插图：珍珠的类似裂纹行为，改编自参考文献65，CC BY 4.0）。c 二次电子（SE）图像及d 对应EBSD-IPF+IQ图，展示沿纳米层状晶界的沿晶开裂。e STEM-BF图像显示裂纹偏转细节。f EBSD-IPF图展示孪晶密集区的裂纹路径。g,h SE及ECC图像显示孪晶界处的裂纹钝化。i 不同疲劳阶段的抗裂纹机制示意图。

5. 文章结论

传统梯度等轴晶结构虽在某些情况下能提升疲劳抗性，但其表面强化层存在机械不稳定性和较差的损伤容限。本研究通过构建约200μ尘厚的类珍珠层表面纳米层状结构，成功解决了这一缺陷。与超细等轴晶结构不同，这种表面纳米层状结构展现抗晶粒粗化稳定性，从而有效抑制了表面塑性变形——这对抵抗裂纹萌生至关重要。由于界面解离引发的超高频率疲劳裂纹偏转（≈1.7×10?次/毫米），该表层的裂纹扩展速率显着降低（降幅达2个数量级）。这些结果表明，单一微观结构组分可同时抑制疲劳裂纹萌生和早期扩展。结合内部梯度孪晶结构激活的多重韧化机制，该材料的整体疲劳抗性显着优于均质结构及其他无纳米层状结构的梯度钛材料（疲劳寿命提升高达100倍）。