疲勞失效始終是金屬結構部件最關鍵的失效模式。目前大多數提升疲勞抗性的微觀結構策略僅能有效抑制裂紋萌生或擴展，往往難以協同實現兩者。

本研究通過設計一種梯度結構解決了這一難題：該結構在純鈦表面構建了類珍珠層納米層狀組織，并輔以內部多變體孿晶結構。

納米層狀層中高度規整的晶界在循環載荷下呈現極化協調，增強了結構穩定性（抑制層狀增厚和微觀結構軟化），從而延緩表面粗糙化及裂紋萌生。

納米層狀晶粒沿水平大角度晶界的解理導致疲勞裂紋偏轉頻率異常升高（≈1.7×103次/毫米），使裂紋擴展速率顯著降低（比均質粗晶材料低2個數量級）。這些表面納米層狀結構的特性，結合亞表層孿晶結構激活的多重韌化機制，使得其疲勞抗性遠超均質及等軸晶梯度結構。

本研究提出的表面納米層狀梯度結構設計，為開發高抗疲勞合金提供了可規模化、可持續的策略。

2. 文章亮點

1. 梯度結構設計：表面納米層狀與內部孿晶協同增效

通過超聲表面滾壓技術（USRP）在純鈦表面構建<200μm的類珍珠層納米層狀結構（平均厚度210nm），結合亞表層多變體孿晶，實現同步抑制疲勞裂紋萌生（延緩表面粗化）和擴展（裂紋偏轉頻率達≈1.7×103次/毫米），疲勞壽命提升10-100倍。

2. 納米層狀晶界的極化協調機制

水平大角度晶界（HAGBs）與垂直低角度晶界（LAGBs）的幾何排列，通過循環載荷下的極化協調和LAGBs“犧牲性"湮滅，顯著增強結構穩定性（抑制晶粒增厚和軟化），表面層晶粒厚度循環后僅增28%，遠低于等軸晶（3-10倍）。

3. 仿生裂紋偏轉與多重韌化

納米層狀結構引發類珍珠層階梯式裂紋路徑（80%沿晶斷裂），90°偏轉角使有效應力強度因子降低44%；結合孿晶層的裂紋鈍化/分支機制，裂紋擴展速率比粗晶材料低2個數量級，突破傳統高強材料“強-韌"矛盾。

3. 研究背景

金屬結構部件的失效約90%歸因于循環載荷導致的疲勞斷裂，這在航空航天、交通運輸、電站和船舶等安全關鍵領域尤為突出。

疲勞失效分為兩個階段：(a) 位錯等晶格缺陷積累引發應變局域化，最終導致局部區域裂紋萌生；(b) 裂紋在應力場驅動下擴展，該過程受相組成、界面特性和層錯能等微觀結構因素影響。理想的抗疲勞策略需同時抑制裂紋萌生與擴展，但現有方法往往僅針對其一：強化材料（如引入位錯阻擋界面/析出相）雖能抑制裂紋萌生，卻會限制位錯滑移對裂紋的鈍化能力，反而加速擴展；而通過裂紋偏轉、分支等"外在"韌化機制調控微觀結構，僅能延緩裂紋擴展而對萌生無效。

近年提出的梯度結構設計（如梯度晶粒尺寸或孿晶密度）雖能部分協調這一矛盾——表層細晶提供高強度抑制萌生，內部粗晶通過位錯容納能力延緩擴展，但仍存在兩大局限：(1) 循環載荷下表層細晶異常長大，促進應變局域化和裂紋萌生；(2) 高強表層損傷容限差，裂紋一旦萌生會快速擴展至與表層厚度（通常200-800μm）相當的尺寸。短裂紋擴展階段在低/高周疲勞中分別占壽命的50%和40%，因此設計兼具機械穩定性和抗裂紋擴展能力的表層結構成為梯度材料性能突破的關鍵。

本研究通過超聲表面滾壓技術（USRP）在純鈦中構建梯度結構：表層為<200μm的類珍珠層納米層狀組織（平均厚度210nm），亞表層為多變體孿晶結構。納米層中高度規整的晶界通過極化協調循環載荷，抑制層狀增厚和微觀結構軟化，從而延緩表面粗糙化與裂紋萌生；水平大角度晶界解理導致裂紋偏轉頻率異常升高（≈1.7×103次/毫米），使擴展速率比粗晶材料低2個數量級。結合亞表層孿晶激活的多重韌化機制，該梯度結構的疲勞壽命比均質/等軸晶梯度結構提升10-100倍，為高抗疲勞合金設計提供了可規模化應用的解決方案。

4. 圖文解析

圖1. 表面納米層狀梯度鈦的微觀結構

a 超聲表面滾壓處理示意圖，該處理在表層形成類珍珠層納米層狀（即“磚-泥"結構）結構，配圖為Nucula sulcata貝殼及珍珠典型微觀結構的SEM圖像。b 電子通道襯度（ECC）圖像顯示從表面至深度≈500μm的梯度結構縱向視圖。c 掃描透射電子顯微鏡明場（STEM-BF）圖像，取自b中大致標記區域，展示深度≈50μm處的納米層狀結構，部分晶界取向差角已標注。d 電子背散射衍射（EBSD）-反極圖（IPF）疊加圖像質量（IQ）圖，對應b中虛線矩形框區域。e 表層（亞表面深度<100μm）納米層狀晶粒長徑比分布。f 納米層狀區域（亞表面深度≈50μm）垂直與水平晶界的取向差角分布。g EBSD界面圖，展示d中虛線矩形框區域的亞表層機械孿晶類型。圖2. 表面納米層狀梯度鈦的疲勞抗性

a 表面納米層狀梯度鈦與均質粗晶（CG）鈦及梯度等軸晶（GEG）鈦的應力幅-壽命曲線對比。b 疲勞裂紋擴展速率（da/dN）隨應力強度因子范圍（ΔK）的變化曲線。c ΔK=5 MPa·m^0.5時，不同微觀結構純鈦的疲勞裂紋擴展速率與屈服強度關系對比，數據包括均質CG/超細晶（UFG）結構12,59-63及本工作的納米層狀結構。圖3. 疲勞載荷下表面納米層狀結構的微觀演化

a,b 疲勞測試前（a）后（b）納米層狀結構的STEM-BF圖像（應力幅216 MPa，1.4×10^5次循環）。c 疲勞前后納米層狀晶粒厚度與長度分布統計。d,e 疲勞前后納米層狀區域的EBSD極圖，顯示織構基本不變。f-j 原子模擬展示循環載荷下垂直低角度晶界（LAGBs）的動態演化：f,j 疲勞前后界面構型（藍色為HCP原子，紅色為FCC原子，青色為非結構原子）；g-i 虛線框區域LAGBs的湮滅過程（箭頭為位錯滑移路徑）。圖4. 表面納米層狀梯度鈦的疲勞裂紋路徑特征

a 含單邊缺口樣品的疲勞加載示意圖。b 納米層狀層中階梯狀裂紋路徑（插圖：珍珠的類似裂紋行為，改編自參考文獻65，CC BY 4.0）。c 二次電子（SE）圖像及d 對應EBSD-IPF+IQ圖，展示沿納米層狀晶界的沿晶開裂。e STEM-BF圖像顯示裂紋偏轉細節。f EBSD-IPF圖展示孿晶密集區的裂紋路徑。g,h SE及ECC圖像顯示孿晶界處的裂紋鈍化。i 不同疲勞階段的抗裂紋機制示意圖。

5. 文章結論

傳統梯度等軸晶結構雖在某些情況下能提升疲勞抗性，但其表面強化層存在機械不穩定性和較差的損傷容限。本研究通過構建約200μm厚的類珍珠層表面納米層狀結構，成功解決了這一缺陷。與超細等軸晶結構不同，這種表面納米層狀結構展現抗晶粒粗化穩定性，從而有效抑制了表面塑性變形——這對抵抗裂紋萌生至關重要。由于界面解離引發的超高頻率疲勞裂紋偏轉（≈1.7×103次/毫米），該表層的裂紋擴展速率顯著降低（降幅達2個數量級）。這些結果表明，單一微觀結構組分可同時抑制疲勞裂紋萌生和早期擴展。結合內部梯度孿晶結構激活的多重韌化機制，該材料的整體疲勞抗性顯著優于均質結構及其他無納米層狀結構的梯度鈦材料（疲勞壽命提升高達100倍）。