近幾十年來，隨著工程構件向輕量化、高效率、高效能方向發展，工程構件的應力越來越高，使用環境越來越惡劣，工程構件疲勞導致的失效案例層出不窮（圖1）。 工程構件疲勞是指材料在應力或應變的反覆作用下效能發生變化，往往導致材料斷裂和失效。 據統計，工程構件的故障中，約90%都與疲勞有關。 對工程構件的疲勞可靠性進行“物理檢驗”，進行“開對藥”的長壽命設計，預防和減少工程構件的疲勞失效非常重要，這對幫助構件實現安全可靠的服役非常重要。
圖1 疲勞失效相關案例：（a）“彗星”號殘骸;（b） 德國高鐵“ICE 884”事故**。 a）目前，為了評價工程構件和各種材料的疲勞可靠性，人們經常按照ASTM和GB等現行試驗標準進行試驗，需要用足夠數量的疲勞試樣進行大量的長期疲勞試驗，以獲得材料的應力幅值-壽命曲線和疲勞極限， 疲勞測試方法既費時又耗費，已在工業和實驗室中使用了近100年。然而，隨著航空航天、資訊、能源、生物醫學和人工智慧等高科技領域的快速發展，對工程材料和構件的疲勞效能進行低成本、高效率的評估的需求日益迫切，在役構件的疲勞壽命也越來越迫切。 近日，中科院金屬研究所瀋陽國家材料科學研究中心張廣平團隊在前人對小尺度材料疲勞行為研究的基礎上，提出了需要高通量、快速評估材料疲勞效能的理念，設計並建立了可同時對多個小微樣品進行對稱彎曲疲勞載荷試驗的系統時間（圖2），並對核電、高鐵、汽車等領域使用的幾種典型工程材料進行了高通量疲勞試驗。通過對比和計算模擬驗證了實驗結果，建立了材料疲勞效能的高通量測試技術和方法。 該研究發表在《國際疲勞雜誌》上，標題為“The High-throughput Bridge to the Rapid Evaluation of Fatigue Reliability of Structural Engineering Materials”。
圖2 高通量對稱彎曲懸臂疲勞試驗系統示意圖
該技術不僅可以模擬標準規定的疲勞極限提公升方法，快速獲得材料的疲勞極限，而且可以一次性獲得應力幅值應變-疲勞壽命曲線，並在一周內快速獲得材料的疲勞資料，僅用上述標準試驗的1 4（圖3a-c）。 同時，在經典的田中村模型的基礎上，研究人員建立了試驗技術得到的材料的疲勞極限，得到了標準試樣疲勞極限之間轉換因子的理論模型。 研究人員還利用該技術評估了一些材料的疲勞效能，包括F316不鏽鋼，用於核主幫浦螺栓在不同溫度下照射、長期熱暴露和輻射照射。 該方法在工程中具有一定的適用性，為先進材料疲勞效能的快速評價提供了新的策略。
圖3 （a） 典型工程材料高通量方法與標準方法的疲勞效能比較（b） 作為材料規模函式的換算係數;（c） 使用高通量方法與標準方法進行疲勞極限試驗所需時間的比較;（d） 核電用F316鋼輻照和熱暴露後服役後的高通量疲勞效能試驗與驗證。
該技術的建立對核電等重點領域的發展大有裨益，不僅為在役構件提供了一種低成本、高效率、快速疲勞效能測試的新方法，也為複雜形狀構件的疲勞效能評價提供了有效的評價策略和新思路。 材料表面塗層、腐蝕層和改性層、焊接區域、材料結構元素和應力-應變集中區等小區域。同時，這種高通量疲勞效能測試方法和評價技術有望進一步推動材料構件疲勞效能資料庫的高效建立，為物理模型和資料驅動的工程構件快速疲勞壽命提供技術依據。