1842年，一輛往返于凡爾賽和巴黎之間的機車車軸突然折斷，導致一場慘烈的事故。金屬疲勞（材料因循環載荷而變弱和開裂）是此次事故的根本原因，這場悲劇引發了對此類材料失效的首次系統研究。
金屬疲勞，世紀難題
幾乎兩個世紀后，金屬疲勞仍然是一個持續困擾當今機械系統的關鍵問題。即使載荷沒有引起任何宏觀變形，疲勞也會導致失效。
反復彎曲金屬回形針，直到它斷裂，這是一個典型的金屬疲勞案例。如果在回形針損壞前，仔細檢查彎曲區域，會注意到其表面粗糙度發生變化。這是由位錯運動引起，表面發生不可逆滑移局部化增加的表現。在負載下，金屬會因位錯（線性缺陷）的運動而變形，從而導致原子相互滑動。表面滑移局部位置是應力集中點，這些位置充當成核位點，裂紋會隨著循環載荷逐漸增大并最終導致失效。
關鍵問題
雖然研究并預測金屬的失效非常重要，但仍存在以下問題：
1、金屬失效對材料中缺陷敏感，疲勞失效難以準確預測
金屬疲勞對材料中最微小的缺陷也很敏感。因此，對疲勞失效的準確預測仍然難以捉摸。金屬疲勞通常發生在數百萬甚至數十億次循環之后，使預測故障何時發生的能力變得復雜。
2、現有評估金屬強度的方法昂貴且耗時
大多數現有的評估特定金屬或合金強度的方法都涉及在不同的循環載荷條件下測試樣品，以確定材料在給定的循環次數內可以承受的最高應力。這種經驗方法既昂貴又耗時。
3、拉伸/屈服強度與疲勞強度相關的微觀尺度的物理過程和參數尚未完全了解
將拉伸強度和屈服強度與疲勞強度聯系起來的微觀結構尺度的物理過程和參數尚未完全了解。此外，尚不清楚為什么具有高抗拉強度的金屬和合金具有如此低的疲勞效率，缺少金屬材料通用的模型參數。
新思路：材料壽命，提前預測
有鑒于此，美國伊利諾伊大學J. C. Stinville等人通過在循環的最初階段考慮大量單個材料的納米分辨率的循環變形過程，識別出大量面心立方、六方密排和體心立方金屬材料的疲勞強度的物理起源。確定了屈服強度與極限抗拉強度、疲勞強度和早期滑動定位事件的物理特性之間的定量關系。通過滑動變形的金屬合金的疲勞強度可以通過在第一個加載循環期間滑動局部化的幅度來預測。該觀察為眾所周知的經驗疲勞定律提供了物理基礎，并能夠通過測量滑動定位幅度來快速預測疲勞強度。
技術方案
1、進行了滑動定位的定量和統計分析
作者對不同晶體結構的金屬進行了滑移分析，解析了不可逆的滑移是后來金屬疲勞的成核位點，通過對數萬種滑移事件的統計分析，揭示了局部滑動與金屬疲勞之間的線性關系。
2、揭示了疲勞強度與滑移局部化的關系
作者通過109次循環的超高周疲勞 (VHCF) 測試測量了幾種材料的疲勞強度。發現了沉淀強化具有高屈服強度，固溶強化具有較低屈服強度，通過對大視場下滑動時間的測量統計，揭示了微觀結構對滑動定位的影響，表明滑移局部化和裂紋成核之間的密切關系。
3、通過滑動定位預測疲勞強度
通過滑移幅度的定量評估將晶體結構和微觀結構與機械性能聯系起來，觀察到在第一個循環期間發展的滑動局部化幅度與材料的疲勞強度之間存在線性關系，表明控制晶體學特性可以實現卓越的性能。
技術優勢
1、推導出了金屬疲勞的規范性理論
通過系統地和實驗性地測量與金屬循環載荷相關的不同特性，作者推導出了金屬疲勞的規范性理論，發現了第一次加載循環后的不可逆滑動定位與不同金屬的疲勞強度之間的相關性。為該領域常用的經驗定律增加了物理基礎。
2、為預測金屬的疲勞強度提供途徑
作者發現的不可逆滑動定位與金屬疲勞強度之間的相關性為通過對在早期加載循環中形成的定位事件進行定量和統計分析來預測金屬的疲勞強度提供了一條途徑。
3、實現了金屬的滑動局部化與疲勞強度的定量相關
在研究了不同的金屬合金之后，表明第一個加載循環后的滑移幅度與屈服強度和疲勞強度呈正線性相關。觀察突出了這些早期滑動事件對整體疲勞強度的影響，為更準確、更有效地減輕損傷和預測疲勞壽命提供了機會。
4、發現影響金屬疲勞強度的重要因素，解析了不同晶體結構金屬疲勞壽命差異
作者觀察到的相關性捕捉到了金屬結構對滑移系統的影響，解釋了不同晶體結構的金屬之間疲勞壽命的差異。
5、完善了Basquin方程
Basquin疲勞定律是預測材料在重復應力下的壽命的標準經驗方程，本工作提出的數據驅動分析，通過將金屬的疲勞壽命與其屈服強度和滑動局部化強度聯系起來，完善了Basquin方程的參數，推動了疲勞強度預測的前進。
技術細節
滑動定位的定量和代表性測量
作者研究了大量具有不同晶體結構和加工路徑的多晶金屬。在早期塑性狀態下的單調和完全反向加載期間進行了高分辨率數字圖像相關 (HR-DIC)測量，探究了與表面發生的離散滑動事件相關的位移。展示了單調加載期間鎳基合金和純鈮的縮小視場的HR-DIC圖，表明高度局部化的變形帶是由位錯組沿晶面的連續滑動發展而來的。將HR-DIC 測量與不連續性 Heaviside-DIC 方法相結合，定量測量每種材料大區域變形期間沿每個單獨帶的滑移強度。跟蹤單調和循環變形過程中滑移強度的演變，發現了不可逆性滑移，表明擠壓或侵入的發展成為后來裂紋成核位置。對超過 20000滑動事件的實驗材料進行了統計分析，識別了每個滑動事件并沿其表面軌跡提取其最大強度，對最大值進行了歸一化處理，以捕捉晶粒尺寸效應。獲得了每種材料的歸一化最大強度和滑移跡線間距的分布，發現了最大滑移強度分布的平均值顯示出對屈服強度的線性依賴性。
疲勞強度與滑移局部化的關系
作者使用109次循環的超高周疲勞 (VHCF) 測試測量了幾種材料的疲勞強度。疲勞效率顯示為在單個循環到 0.2 的最大塑性應變后的最大滑移幅度的函數。疲勞強度與在第一個疲勞循環后測量的滑動幅度的線性相關性是顯而易見的。此外，這種關系捕獲了加載條件(溫度和應力比)、晶粒尺寸、晶體結構和屈服強度的影響，并通過在第一個循環中發生的滑移的物理特性，將單調特性與循環疲勞強度明確聯系起來。
圖 疲勞強度作為滑動幅度的函數
用于疲勞強度預測的滑動定位
研究單調和反向加載過程中的滑移活動和局部化幅度為快速評估材料及其沿不同加工路徑發展的不同微觀結構變體的疲勞強度和疲勞效率提供了機會。這種方法不僅為晶體結構和微觀結構在確定疲勞強度中的作用提供了新的見解，還為合金和微觀結構設計提供了指導。滑移幅度的進一步定量評估提供了將晶體結構和微觀結構與機械性能聯系起來的獨特信息。與微觀結構相關的滑移特性的統計測量指出了合金設計的不同路徑和控制微觀結構的加工路徑，以最大限度地減少塑性的局部化，從而提高疲勞強度。
展望
在研究金屬疲勞時增強統計和定量分析為利用機器學習的進步提高疲勞預測能力提供了可能。本工作的研究結果可以作為產品壽命估算的高效方法，可以更好地了解金屬的物理性質，以便進行檢查和風險評估。
參考文獻：
【1】MOSTAFA M. OMAR, et al. Foreseeing metal failure from its inception. Science, 2022,377(6610):1047-1048.
DOI: 10.1126/science.add8259.
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【2】J. C. STINVILLE, et al. On the origins of fatigue strength in crystalline metallic materials. Science, 2022, 377(6610):1065-1071.
DOI: 10.1126/science.abn0392.
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