材料科学泰斗赵振业院士:攻克疲劳难题是迈向制造强国的关键突破

问题——疲劳失效为何成为装备领域难以回避的风险点 在高端装备的全寿命运行中,最危险的故障往往不是一次性超载造成的,而是源于“看不见的长期累积”。赵振业院士在专论中指出,“疲劳”是构件在循环载荷长期作用下逐步受损,并在某一时刻突然失效的过程。它的外在表现常常并不明显:飞机起落架的反复冲击、发动机叶片在高温高速下的持续旋转、桥梁与风电主轴在环境载荷中的长期振动……都可能在尚未达到静强度极限时出现断裂、裂纹扩展或关键部件失效。疲劳之所以被称为装备中的“隐形杀手”,关键在于隐蔽性强:事故发生时往往难以及时锁定根因,通常需要事后失效分析才能确认与疲劳有关。 原因——从历史教训到工程机理:应力集中推高疲劳风险 疲劳并非新问题。历史上,交通运输与工业化进程中多次出现关键构件失效引发的严重事故,也推动了疲劳研究不断深化。赵振业指出,即便材料强度、韧性等指标满足要求,构件在服役中仍可能发生疲劳破坏,其中一个常见原因就是“应力集中”。应力集中既可能来自几何形状的突变(孔、槽、台阶、尖角等),也可能来自表面状态差异(加工刀痕、划伤、凹坑、粗糙度变化等)。在循环载荷作用下,这些局部区域会产生显著高于名义应力的峰值应力,进而成为裂纹萌生的起点。赵振业强调,工程实践中“哪里受力最大就先失效”的直观判断并不总是成立,更需要关注“哪里应力集中更明显、哪里更容易形成裂纹源”。也就是说,疲劳风险不仅与材料有关,更由结构设计与制造过程共同决定。 影响——安全、经济与产业信誉的多重代价 在高端装备领域,疲劳失效的后果往往被放大:关键部件一旦突然断裂,可能引发系统功能失效,造成重大安全事件,甚至群死群伤事故;在产业层面,则会带来停机停运、维修更换与召回成本上升,可靠性与品牌信誉受损,有关产业链也可能为此承担更高的质量成本。更深层的影响在于,如果疲劳基础研究与工程技术长期跟不上装备迭代速度,制造业向高端化、智能化、绿色化升级的进程也会受到制约。赵振业结合我国航空材料与制造技术的发展历程指出,我国从早期的跟跑模仿到如今的自主创新,可靠性体系建设与关键基础理论突破缺一不可,而疲劳问题正是必须跨越的基础关口。 对策——以抗疲劳制造为抓手,推动设计、材料、工艺一体化攻关 围绕如何降低疲劳风险,赵振业在文中提出以抗疲劳制造技术为牵引的思路:一是从源头控制应力集中,在结构设计阶段强化细节优化与圆滑过渡,减少几何突变带来的局部峰值应力;二是把制造过程作为关键变量,通过改进加工方法、提升表面完整性、控制残余应力与微观缺陷,降低裂纹萌生概率;三是推动材料—制造—服役协同,以服役载荷谱为依据反推设计与工艺窗口,使试验验证与工程数据形成闭环。赵振业提到,其团队在制造技术研究中形成了关于疲劳强度与应力集中关系的认识,并据此持续探索抗疲劳制造路径,强调要把经验性的防护提升为可量化、可复制、可工程化体系能力。 前景——夯实可靠性底座,支撑制造强国向更高水平迈进 业内人士认为,随着航空航天、深海工程、先进能源与高速交通等领域加速发展,装备服役环境更极端、结构更轻量化、性能边界更接近极限,疲劳问题将呈现多场耦合、尺度跨越、寿命预测更复杂等新特点。面向未来,抗疲劳制造不仅是单项技术突破,更关乎产业基础能力建设:既需要面向重大工程的长期数据积累与标准体系完善,也需要跨学科协同,推动材料科学、结构力学、制造工艺、无损检测与健康监测等融合发展。将疲劳机理研究、制造过程控制与全寿命管理贯通起来,有望明显提高我国高端装备的安全性与国际竞争力。

疲劳不是孤立的材料现象,而是贯穿设计、制造、服役全链条的系统性挑战。只有把应力集中等关键诱因提前治理,把可靠性作为硬指标嵌入制造流程,才能让该“隐形杀手”更难有机可乘。面向制造强国建设,破解疲劳难题既关系到守住安全底线——也关系到提升核心竞争力——是推动高端装备实现跃升的关键一步。