轻质是航空航天永恒的追求，“斤斤计较”远远不够，必须做到“克克计较”。镁合金作为最轻的结构金属，在航空航天、轨道交通、军工、新能源汽车等领域具有重要的轻量化价值，被美誉为“21世纪绿色结构材料”。长寿命、高可靠性已成为国家重大技术装备的发展目标和迫切需求。现实服役环境中，关键结构零部件不可避免地承受循环载荷的长期作用。然而，镁合金的疲劳强度普遍低于铝合金，受限于其疲劳性能的表现不佳，目前工程应用大多局限于非承重构件，其长寿命疲劳损伤演化及失效机制缺乏系统研究，已成为制约镁合金推广应用的一个重要“瓶颈”。因此，解析镁合金长寿命疲劳失效微观机制，提高其宏观疲劳性能，受到越来越多的学者和工程师的关注。

最近，四川大学王清远教授团队陈尧副研究员等人系统研究了表面强化对镁合金超长寿命疲劳行为的影响，期望提高镁合金疲劳性能，为其长寿命服役的定/延寿提供理论基础。超声冲击（UPT，Ultrasonic peening treatment）作为一种新兴的表面强化技术，超声机械振荡虽然振幅很低，但速度极高，如此高速的机械振荡作用于目标表面，相当于冲击作用。与喷丸工艺相比，超声冲击不仅处理速度更快，而且更容易获得均匀的、光滑的处理表面，这也有利于提高疲劳抗力、耐腐蚀性能。

图1 UPT表面处理前后的疲劳 S-N 结果

图2 UPT表面处理前后的典型疲劳断口特征

研究结果表明，表面强化显著提高该镁合金高周疲劳性能，但对超高周疲劳性能的作用似乎有限（图1）。本研究重点关注了占疲劳寿命90%以上的裂纹萌生与初期扩展阶段，发现UPT表面处理完全改变了裂纹萌生位置，但裂纹萌生机制保持不变，裂纹萌生均表现为“致命小平面”特征，而非夹杂起裂（图2）。微观表征显示，表面强化层内的加工硬化以及有益的残余压应力共同提高表面疲劳抗力，而芯部区域没有受到超声冲击的作用。理论上，它的疲劳抗力与母材相同，疲劳抗力小于表面强化层，因此UPT表面处理改变了裂纹萌生位置。裂纹萌生位置的转移也说明UPT表面处理确实提高了表面疲劳抗力。

图3 滑移带致微裂纹萌生形成致命小平面及晶界抑制作用

图4 致命小平面边缘SIF范围

研究结果表明，“致命小平面”沿最大剪应力方向的平面滑移系起裂，且萌生于热挤压工艺加工过程中残余的粗大未再结晶晶粒，裂纹萌生阶段表现为II型裂纹（图3）。虽然循环变形局部化导致滑移面上出现多条微裂纹萌生，但晶界提供了一个阻止微裂纹继续扩展的阈值，本研究给出了一个阈值参数ΔK_τ-FF-th来量化评价晶界抑制作用，其范围为0.49 ~ 0.63 MPa√m（图4）。

图5 裂纹萌生与初期扩展区微观特征

TEM局部微观表征（图5），发现致命小平面平行于起裂晶粒的晶体学基面，小平面的形成是基滑移变形累积开裂的结果。在低于ΔK_σ-th阈值的初期扩展阶段形成了特征粗糙区域，并形成纳米多晶层，即超高周疲劳特有的细晶区（FGA）。然而，在“致命小平面”区域未观察到纳米多晶层。基于大数挤压模型（NCP），本研究提出I型裂纹是超高周疲劳特征细晶区（FGA）形成的一个必要条件。只有在I型裂纹条件下，超低速疲劳裂纹扩展时，循环压应力作用使得裂纹尖端发生大数往复挤压塑性变形，形成纳米多晶层。

综上所述，表面强化显著提镁合金高高周疲劳性能，但对超高周疲劳性能的提高有限。裂纹萌生与初期扩展机制的系统研究表明，挤压态双峰组织中粗晶是劣化长寿命疲劳性能的主要因素，以及晶界抑制作用，这为改善挤压态镁合金长寿命疲劳性能提供了设计思路，为镁合金长寿命服役的定/延寿提供了理论基础。

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