趙振業院士：破解疲勞困局成就制造強國

文章刊登于《中國科技產業》雜志

202603期“院士專論”

我在65年的科研生涯里，一直和材料、制造、疲勞這三個技術打交道，見證了我國航空材料從跟跑模仿到自主創新的艱辛跨越，全球疲勞研究兩百年的迷茫與裝備制造技術的百年求索。三個技術息息相關，相互融合形成跨學技術，開啟高科技新時代與人類新文明。這里漫話的是經歷、體驗、感受和期盼。

藏在裝備里的“隱形殺手”

提起疲勞，很多人可能會問，“疲勞”不是人累了才會有的狀態嗎？其實，“疲勞”是一個專業術語，指的是構件在循環應力延時作用下，逐漸產生損傷、最終失效的現象——“累壞了”。要理解疲勞，大家都有過這樣的體驗：一根鐵絲，用手直接拉斷很難，但如果反復彎折，很快達到自身強度的載荷，卻在反復循環的低應力作用下發生了失效，讓人感到神奇和不解，卻又在身邊頻頻發生讓人感到可怕和無奈的事情。

“疲勞”一詞首次出現于1830年，其發現源自關鍵構件頻頻失效并造成巨大災難，比如礦井升降機鏈條斷裂，有名的凡爾賽火車事故：車軸斷裂，世界聞名遐邇的彗星號飛機連續三架空中爆炸解體，不僅蒙受了巨大經濟損失，更葬送了第二次世界大戰后的重大發明噴氣客機。在航空、航天、能源等裝備領域，疲勞的危害致命。飛機的起落架每次起降都會承受巨大的沖擊載荷，發動機葉片在高溫高壓下高速旋轉，橋梁、風電主軸在自然環境中反復承受振動和載荷……這些構件一旦發生疲勞失效，后果不堪設想。歷史上，無數裝備事故、構件故障都與疲勞有關：有的飛機在正常飛行中突然發生機翼斷裂，有的高鐵軸承在運行中意外卡死，有的風電主軸在服役中突然斷裂。這些事故背后，都藏著疲勞。大量的失效案例彰顯疲勞有兩大特點：危害性和隱蔽性。其危害性之大就大在裝備功能、經濟性、信譽蕩然無存，客機事故屢屢數百人遇難。其隱蔽性在于事故發生了卻不知到，只有失效分析后方知是疲勞，堪稱裝備的“隱形殺手”。

可能有人會疑惑，我們用的構件都是經過嚴格檢測的，強度、韌性都達標了，為什么還會出現疲勞失效？這就涉及一個關鍵問題——應力集中。所謂應力集中就是形狀的改變，包括構件外形的改變，圓的、方的或奇形怪狀的,也包括表面狀態的變化，加工刀痕、凸起、凹陷或粗造等等，通常用一個應力集中系數Kt＊來表示。應力集中系數的數值表明服役應力翻了多少倍，Kt＊值可在1～∞變化，服役應力翻倍可達到∞，由此不難理解有的構件疲勞壽命很長，有的很短；有的可靠性很高，有的很低。以往，常有一個概念或說法，就是構件上哪里受力最大就先從那里失效。其實不然，應是哪里應力集中系數最高就先從那里失效。另外，大家會看到Kt＊=1（光滑）構件具有高的疲勞強度，服役時不會疲勞失效，Kt＊=3（缺口）構件在相同服役應力下卻會疲勞失效，說明缺口構件的疲勞強度σNF低于光滑構件的疲勞強度σF，即σNF﹤σF，應力集中系數越高越容易疲勞，應力集中誘發了疲勞，疲勞源自應力集中。說疲勞是藏在裝備里的“隱形殺手”，亦可以說應力集中是藏在裝備里的“隱形殺手”。有形狀就有應力集中，構件到處是應力集中，或者說應力集中、疲勞與構件如影隨形，這就導致構件到處可能有疲勞。構件可能有疲勞，構件服役就可能疲勞，一日不消失應力集中，一日不無疲勞；一日不消失疲勞，構件、裝備一日不得安全。

應力集中、疲勞是構件、裝備制造的天敵，消失應力集中、消失疲勞是構件、裝備制造的永恒使命。但是，這一使命之艱巨非同小可。豈不見，自1830年發現疲勞至今200年之久，疲勞仍處迷茫之中，何想消失疲勞。幸運的是，我和團隊在制造技術研究中偶有“疲勞強度主要決定于應力集中”普遍規律的新發現，“無心插柳柳成蔭”，一以貫之地用抗疲勞制造技術石破天驚，抑制了應力集中，σNF≥σF消失了疲勞，可謂“天下無疲勞”。天敵消失了，構件、裝備制造自然可做到極限壽命，用到極限壽命。構件疲勞如此，其他諸如功能材料、電子材料、生物材料等做成器件、物品后都會有形狀即應力集中，應力集中處都會有結構基元的改變，并伴有器件服役行為的突變乃至巨變不敷應用而棘手于解決。有位學者曾發現一根電子材料絲彎曲后，其電性能居然改變了，顯然電子構件中也有應力集中效應。雷同的事例不勝枚舉，但要復原如初同樣難度很大，但我堅信“天道酬勤”，問題一定會得到待解決，創造出光輝燦爛的新文明。

跳出誤區直擊制造

兩百年間，全球疲勞研究陷入了兩個致命誤區，也是長期無法突破的癥結。要搞清楚疲勞研究的核心，首先要打破這兩個認知誤區。第一個誤區是認為疲勞是個材料問題。全世界有關疲勞的研究論文數以萬計，專著不勝枚舉，研究成果在1990年麻省理工S.Surresh教授的一書中做了記載和解讀。1964年，日內瓦國際標準化組織（ISO）將“疲勞”定義為金屬材料在應力或應變反復作用下所發生的性能變化。他們代表了業界“疲勞是材料問題”的主流認識，但并非疲勞的真諦，因為并未撼動關鍵構件疲勞失效，疲勞反而成為世界三大工程難題（疲勞、磨損、腐蝕）之首。第二個誤區是過度追求微觀結構。大半精力深入到微觀結構、原子層面的位錯運動，就事論事，卻偏離了工程應用解決疲勞的大方向。

我和團隊分析過30多篇國內外論文，沒有一篇有工程應用價值，猶如紙上談兵。我有機會系統研究評價了當前世界已有的“成形”制造技術和表面完整性制造技術。結果表明，傳統磨削加工Kt＊=1構件具有高的疲勞強度，可謂極限固有疲勞強度σF，但Kt＊=3構件的疲勞強度σNF急劇降低約50%，Kt＊=5構件急劇降低約80%，不敷應用，超高強度鋼A-100構件如此，高強度鈦合金TC17、高溫合金GH4169DA構件均如此，σNF﹤σF是一個與材料無關的普遍規律。從而發現疲勞源自應力集中，應力集中源自“成形”制造，亦即疲勞源自“成形”制造是一個與材料無關的制造問題。用表面噴丸強化研究了高強度鈦合金TC17構件發現，Kt＊=1構件350℃疲勞強度σF高達678MPa，磨削Kt＊=3構件的疲勞強度σNF急劇降低為330MPa不敷應用，表面噴丸強化后回升到400MPa，僅提高了11個百分點，未解決疲勞問題仍不敷應用。可以說，疲勞源自應力集中，應力集中源自表面完整性制造，疲勞源自表面完整性制造。由此可見，當前世界已有的“成形”制造技術和表面完整性制造技術均誘發疲勞，均造成疲勞災難，當然不可能制造出高端裝備和構件。我和團隊研究提出了抗疲勞制造技術：控制表面完整性和表面變質層，以疲勞為主要判據和達到極限疲勞強度的制造技術。結果是超高強度鋼A-100“成形”制造Kt＊=1構件室溫極限固有疲勞強度σF為905MPa，Kt＊=3構件疲勞強度σNF恢復到1275MPa，提高275%，超過極限固有疲勞強度σF23%。高強度鈦合金TC17Kt＊=3構件350℃中溫疲勞強度σNF恢復到730MPa，提高120%，超過極限固有疲勞強度σF7%。高溫合金GH4169DAKt＊=3構件650℃高溫疲勞強度σNF恢復到770MPa，提高160%，超過極限固有疲勞強度σF5%。可見，抗疲勞制造后疲勞強度非但不降低反而超過極限固有疲勞強度，σNF≥σF是一個與材料無關的普遍規律，亦即抗疲勞制造抑制應力集中，抑制疲勞，構件可用到極限是一個普遍規律。總之，疲勞因“成形”制造技術和表面完整性制造而生，因抗疲勞制造制造而消失，“天下無疲勞”。從而提出了抗疲勞制造新概念、新理論、新方法、新技術，成為完全不同于“成形”制造技術和表面完整性制造技術的新一代先進技術。有了抗疲勞制造技術，傳統“成形”制造技術和表面完整性制造技術已完成了歷史使命，抗疲勞制造技術以其極限壽命，極限可靠性、極限減重、屏蔽疲勞開啟高端裝備制造新紀元，奉獻中華民族偉大復興，“天下無疲勞”規避疲勞災難創造出光輝燦爛的制造新文明。

為材料強國注入內生動力

材料是制造物品和器件的物質基礎，制造強國與材料強國密不可分。制造強國的主要判據是極限壽命、極限可靠性、極限減重，材料強國的主要判據是物盡其用、用到極限，做得好、用得好才是好材料。所謂“做得好、用得好”就是材料兼有極限固有性能和極限服役性能。但是，當今世界上少有兩個極限性能的先進材料。因此，材料成為制造強國的重要制約因素。材料的主要問題在于服役性能低下。翻開所有材料手冊，沒有一個金屬結構材料不是σNF﹤σF，亦即僅有極限固有性能而無極限服役性能，或者說既無一個材料可用做關鍵構件。以超高強度鋼A-100為例，抗拉強度高達2000MPa，疲勞強度905MPa，可謂極限固有性能優良。但是，Kt＊=3構件疲勞強度驟降為333MPa，疲勞強度應力集中敏感,不敷應用，并帶來一系列問題。設計飛機起落架時，因A-100鋼疲勞強度應力集中敏感不得不提高安全系數、降低許用應力，從而圖樣成為壽命短、結構重；按圖樣加工制造時附加一個表面應力集中，再次降低疲勞壽命，附加的表面應力集中水平高低，在什么位置不確定，構件成為壽命短、可靠性差、結構重，遠低于設計。構件服役時故障頻發，不得不返廠維修，嚴重的還會毀傷設備、需要更換。如此過程可謂司空見慣，誤工誤事、耗資耗人，粗算附加成本超過制造數倍，粗估附加工作量增加一倍，制造商每賺1元用戶需貼陪5～10元，原本應該盈利的構件制造成了賠錢貨，可謂負經濟制造。可見，A-100鋼研制僅完成一半，僅具有極限固有性能，不敷應用，必須完成另外一半：賦予極限服役性能。這就是我提出的材料科學與工程“兩個全過程”：材料研制全過程和材料應用研究全過程。材料研制全過程賦予極限固有性能，材料應用研究全過程賦予極限服役性能，“兩個全過程”賦予極限固有性能+極限服役性能。

半個世紀前，美國提出的材料科學與工程“四要素”賦予極限固有性能，材料應用研究全過程至今少有履行，并成為無一個材料可用于關鍵構件的原因。不同材料因服役目標不同而極限服役性能指標不同，如同賦予極限固有性能一樣，需要理論、技術、關鍵構件制造、服役評價等。我有機會完成了軸承齒輪鋼M50NIL應用研究全過程，結果是主軸軸承疲勞壽命達到100000小時未失效，滾動體接觸疲勞壽命達到420萬小時領先世界，超過“成形”制造和表面完整性制造產品100倍以上，失效機理回歸赫茲理論。從而提出了應用研究新概念、新理論、新方法、新技術。同樣，也完成了超高強度鋼A-100應用研究全過程，賦予了極限服役性能，如Kt＊=4室溫疲勞強度從研制狀態的245MPa提升到1275MPa，達到σNF≥σF；完成了高強度鈦合金TC17應用研究全過程，賦予了極限服役性能，Kt＊=3構件350℃疲勞強度從研制狀態的300MPa提升到730MPa，達到σNF≥σF；完成了高溫合金GH4169DA應用研究全過程，賦予了極限服役性能，Kt＊=3構件650℃疲勞強度從研制狀態的297MPa提升到770MPa，達到σNF≥σF。可見，應用研究后材料一改研制狀態的σNF﹤σF規律不敷應用，呈現σNF≥σF規律，可用到極限。其原因在于應用技術用強韌化的理論和技術在構件表面構筑了一個超強韌性新材料，抑制了應力集中，抑制了疲勞。同理，其他結構材料以及功能材料、電子材料、生物材料亦應可通過特殊應用理論和技術抑制應力集中和服役行為的降低用到極限。應用理論和技術的到來將顛覆材料世界。

發展新質生產力

新質生產力是相對于傳統生產力而言，是以創新起主導作用，擺脫傳統經濟增長方式、生產力發展路徑，具有高科技、高效能、高質量特征，符合新發展理念的先進生產力質態。一句話，新質生產力是最具顛覆性的先進生產力質態。抗疲勞制造是新質生產力：（1）最具顛覆性的理論創新，即“無應力集中”抗疲勞理論：帶有應力集中的構件具有無應力集中時的疲勞強度，抗疲勞制造新概念：控制表面完整性和表面變質層，以疲勞為主要判據和極限疲勞強度的制造技術，抗疲勞制造-極限壽命設計-極限性能材料三位一體新方法，結束了百年制造缺失基礎理論的歷史，指明了σNF≥σF制造技術大方向；（2）最具顛覆性的技術創新，極限壽命、極限可靠性、極限減重，σNF≥σF顛覆了百年傳統“成形”制造和表面完整性制造技術，結束了壽命短、可靠性差、結構重，σNF﹤σF制造歷史，成為升級高端制造的唯一技術；（3）最具顛覆性的設計創新，薄殼結構、極限壽命設計顛覆了百年傳統靜強度設計、安全壽命設計，結束了設計圖樣壽命短、可靠性差、結構重，產品性能低于設計的設計歷史,開啟了極限壽命、極限可靠性、極限減重設計新紀元；（4）最具顛覆性的材料創新，極限固有性能σF和極限服役性能σNF≥σF材料結束了σNF﹤σF傳統材料歷史；（5）最具顛覆性的關鍵構件創新，薄殼結構、極限壽命、極限可靠性、極限減重，全壽期無故障服役，結束了有史以來關鍵構件壽命短、可靠性差、結構重，故障頻發并殃及高端裝備制造的歷史；（6）最具顛覆性的抗疲勞效果，“天下無疲勞”結束人類千百年疲勞災難史，開創了制造新文明；（7）最具顛覆性的跨學科技術，融合制造、疲勞、材料與一體，實現極限壽命、極限可靠性、極限減重，結束了百年切削制造史。

抗疲勞制造新質生產力，新就新在新理論、新技術、新材料、新設計、新制造、新構件、新知識域、新產業域，彌補三次工業革命未觸及高端裝備制造的歷史性空缺，是三次工業革命以來生產力水平質的躍遷。抗疲勞制造新質生產力是一項跨越百年的世紀性科技創新，突出體現于，結束了有制造以來的百年、千年疲勞災難史，開啟一個制造文明新時代。抗疲勞制造新質生產力引領全球性創新可持續發展，對全球化經濟發展具有決定作用，是駕馭世界百年未有之大變局的強有力抓手。

站上學科人才制高點

學科是教育中的歸類和組織，與知識相聯系的一個學術概念，其發展和劃分使得人們能夠更加專注和深入地研究某一領域。學科水平是國家級科學技術與人才的評價指標。“機械工程”是世界一級學科，但國內外內涵不同并彰顯制造水平差異，競爭在于誰主沉浮。試看，美西方“機械工程”學科的基本內涵是表面完整性制造，中國“機械工程”學科的基本內涵是“成形”制造，屬于“代差”，是美西方世界關鍵構件與裝備制造壟斷地位，中國制造受制于人的現實寫照。中國“機械工程”學科培育的人才屬于“成形”制造，與美西方的表面完整性制造人才“代差”，也是中國學子仰慕施坦福、劍橋的現實寫照。但是，中國發明抗疲勞制造技術后，博弈的優勢發生了逆轉，中國“機械工程”學科的基本內涵升級到抗疲勞制造技術，占據了“機械工程”制高點，形成超越美西方表面完整性制造的新“代差”，美西方世界關鍵構件與裝備制造壟斷地位將被顛覆，中國高端裝備制造引領世界。于是，中國“機械工程”是抗疲勞制造科學與工程，新概念、新理論、新方法、新知識域、新一代先進技術，抗疲勞制造學科培育的是引領世界的新人才，中國學子仰慕的是抗疲勞制造新知識域和中國制造科學家。可見，抗疲勞制造成就的不僅是關鍵構件與高端裝備制造，而且是新學科、新人才，是制造強國和中華民族偉大復興，是中國特色社會主義新時代。

“材料科學與工程”是另一個世界一級學科，內涵不同彰顯材料水平差異，同樣競爭于誰主沉浮。半個世紀以來，美西方以“四要素”全過程研制材料，創新極限固有性能材料領先世界，中國材料研制少有完成“四要素”全過程，多于模仿。相比之下，“材料科學與工程”學科水平差距明顯。重要的是國內外均未走上“兩個全過程”，普遍缺失極限服役性能以致湊合應用中發生諸多問題，增加許多虛功，勞民傷財。當然，相伴而來的是“材料科學與工程”培育的材料人才也限于材料研制。所以，人們常常看到創新材料的報道，當然可喜可賀，業者在盡力盡責奉獻，應當受到尊重，但卻不是可用材料。急需的是加快走上“兩個全過程”，轉變觀念，升級學科，創造新概念、新理論、新方法，創造極限固有性能+極限服役性能材料。中國率先提出“兩個全過程”，示范極限固有性能+極限服役性能，率先站上學科、人才制高點理所當然！疲勞雖未列入世界一級學科名錄，但卻遍布力學、材料、制造等眾多學科之中，也是地、空、天、海各業的要害，以“天敵”級別處之并不為過。如今看來，走出混沌、愚昧怪圈和疲勞災難，除了堅定不移建立“無應力集中”抗疲勞理論體系，從應力集中視角認識疲勞，從應力集中入手解決疲勞建立抗疲勞制造技術體系別無他途。

中國制造領先世界

中國是一個發展中國家，制造強國、材料強國、科技強國、學科強國、人才強國、質量強國等都是中華民族偉大復興的重要標志和內涵，面對世界百年未有之大變局時代中國制造領先世界已成當務之急。強國和領先世界都要高科技鑄就，自主創新托底，科學態度兌現和體制保證。當前，“無應力集中”抗疲勞理論、“兩個全過程”理論、強韌化理論奠定了先進材料抗疲勞制造技術的理論基礎，極限固有性能+極限服役性能材料為極限壽命、極限可靠性、極限減重關鍵構件設計奠定了基礎，抗疲勞制造技術、無應力集中裝配技術為關鍵構件、部件、高端裝備制造和全壽期無故障服役提供了保證，卻遠不能與強國相提并論，但已初步走出了陰影，度過了迷茫期，可以起航入軌，后續工程應用、極限經濟更艱巨，至為關鍵的是相信科學、相信自己。

為賡續發展，至少要做三件事。第一件是確立體制保障，構建三位一體創新聯合體，以制高點學科確保新概念、新理論、新方法、新人才，以科研機構職司高科技創新、育成高端產品，以高端制造跨國企業創新規模生產、應用，收獲極限經濟，三位一體技術傳遞、經濟一體、全產業鏈創新。第二件是堅持自主創新，以科學認識論、實踐是檢驗真理的唯一標準為指導，實施“創新全過程”：以應用基礎理論、技術、工程化應用、服役反饋四要素循環反復，直至失效機理與基礎理論一致結束，從而確保獲得相對真知，即可用可靠理論、技術或產品。第三件是舉國體制、全國一盤棋，充分發揮中央和省市兩個積極性：減輕央企負擔，聚力裝備，講求實效、立竿見影，攀登制高點；壓擔省市一關鍵構件，加快提升理論、高端技術、跨國企業水平。政府抓住機遇，以決策、布局、政策為引領，一個項目、一個責任者、一個方案、一張藍圖繪到底，實施三階段評價，確保存活率100%，趟出一條中國特色先進理論、高科技、高端材料、構件、裝備制造領先世界的道路，無愧于中國特色社會主義新時代。魯迅先生說過：世界上本沒有路，走的人多了，也便成了路。古希臘物理學家阿基米德說過：給我一個支點，我就能翹起地球。中國俗語說“世上無難事，只拍有心人”，邁開雙腳，中華民族偉大復興自在眼前。