赵振业院士：破解疲劳困局成就制造强国

文章刊登于《中国科技产业》杂志

202603期“院士专论”

我在65年的科研生涯里，一直和材料、制造、疲劳这三个技术打交道，见证了我国航空材料从跟跑模仿到自主创新的艰辛跨越，全球疲劳研究两百年的迷茫与装备制造技术的百年求索。三个技术息息相关，相互融合形成跨学技术，开启高科技新时代与人类新文明。这里漫话的是经历、体验、感受和期盼。

藏在装备里的“隐形杀手”

提起疲劳，很多人可能会问，“疲劳”不是人累了才会有的状态吗？其实，“疲劳”是一个专业术语，指的是构件在循环应力延时作用下，逐渐产生损伤、最终失效的现象——“累坏了”。要理解疲劳，大家都有过这样的体验：一根铁丝，用手直接拉断很难，但如果反复弯折，很快达到自身强度的载荷，却在反复循环的低应力作用下发生了失效，让人感到神奇和不解，却又在身边频频发生让人感到可怕和无奈的事情。

“疲劳”一词首次出现于1830年，其发现源自关键构件频频失效并造成巨大灾难，比如矿井升降机链条断裂，有名的凡尔赛火车事故：车轴断裂，世界闻名遐迩的彗星号飞机连续三架空中爆炸解体，不仅蒙受了巨大经济损失，更葬送了第二次世界大战后的重大发明喷气客机。在航空、航天、能源等装备领域，疲劳的危害致命。飞机的起落架每次起降都会承受巨大的冲击载荷，发动机叶片在高温高压下高速旋转，桥梁、风电主轴在自然环境中反复承受振动和载荷……这些构件一旦发生疲劳失效，后果不堪设想。历史上，无数装备事故、构件故障都与疲劳有关：有的飞机在正常飞行中突然发生机翼断裂，有的高铁轴承在运行中意外卡死，有的风电主轴在服役中突然断裂。这些事故背后，都藏着疲劳。大量的失效案例彰显疲劳有两大特点：危害性和隐蔽性。其危害性之大就大在装备功能、经济性、信誉荡然无存，客机事故屡屡数百人遇难。其隐蔽性在于事故发生了却不知到，只有失效分析后方知是疲劳，堪称装备的“隐形杀手”。

可能有人会疑惑，我们用的构件都是经过严格检测的，强度、韧性都达标了，为什么还会出现疲劳失效？这就涉及一个关键问题——应力集中。所谓应力集中就是形状的改变，包括构件外形的改变，圆的、方的或奇形怪状的,也包括表面状态的变化，加工刀痕、凸起、凹陷或粗造等等，通常用一个应力集中系数Kt＊来表示。应力集中系数的数值表明服役应力翻了多少倍，Kt＊值可在1～∞变化，服役应力翻倍可达到∞，由此不难理解有的构件疲劳寿命很长，有的很短；有的可靠性很高，有的很低。以往，常有一个概念或说法，就是构件上哪里受力最大就先从那里失效。其实不然，应是哪里应力集中系数最高就先从那里失效。另外，大家会看到Kt＊=1（光滑）构件具有高的疲劳强度，服役时不会疲劳失效，Kt＊=3（缺口）构件在相同服役应力下却会疲劳失效，说明缺口构件的疲劳强度σNF低于光滑构件的疲劳强度σF，即σNF﹤σF，应力集中系数越高越容易疲劳，应力集中诱发了疲劳，疲劳源自应力集中。说疲劳是藏在装备里的“隐形杀手”，亦可以说应力集中是藏在装备里的“隐形杀手”。有形状就有应力集中，构件到处是应力集中，或者说应力集中、疲劳与构件如影随形，这就导致构件到处可能有疲劳。构件可能有疲劳，构件服役就可能疲劳，一日不消失应力集中，一日不无疲劳；一日不消失疲劳，构件、装备一日不得安全。

应力集中、疲劳是构件、装备制造的天敌，消失应力集中、消失疲劳是构件、装备制造的永恒使命。但是，这一使命之艰巨非同小可。岂不见，自1830年发现疲劳至今200年之久，疲劳仍处迷茫之中，何想消失疲劳。幸运的是，我和团队在制造技术研究中偶有“疲劳强度主要决定于应力集中”普遍规律的新发现，“无心插柳柳成荫”，一以贯之地用抗疲劳制造技术石破天惊，抑制了应力集中，σNF≥σF消失了疲劳，可谓“天下无疲劳”。天敌消失了，构件、装备制造自然可做到极限寿命，用到极限寿命。构件疲劳如此，其他诸如功能材料、电子材料、生物材料等做成器件、物品后都会有形状即应力集中，应力集中处都会有结构基元的改变，并伴有器件服役行为的突变乃至巨变不敷应用而棘手于解决。有位学者曾发现一根电子材料丝弯曲后，其电性能居然改变了，显然电子构件中也有应力集中效应。雷同的事例不胜枚举，但要复原如初同样难度很大，但我坚信“天道酬勤”，问题一定会得到待解决，创造出光辉灿烂的新文明。

跳出误区直击制造

两百年间，全球疲劳研究陷入了两个致命误区，也是长期无法突破的症结。要搞清楚疲劳研究的核心，首先要打破这两个认知误区。第一个误区是认为疲劳是个材料问题。全世界有关疲劳的研究论文数以万计，专著不胜枚举，研究成果在1990年麻省理工S.Surresh教授的一书中做了记载和解读。1964年，日内瓦国际标准化组织（ISO）将“疲劳”定义为金属材料在应力或应变反复作用下所发生的性能变化。他们代表了业界“疲劳是材料问题”的主流认识，但并非疲劳的真谛，因为并未撼动关键构件疲劳失效，疲劳反而成为世界三大工程难题（疲劳、磨损、腐蚀）之首。第二个误区是过度追求微观结构。大半精力深入到微观结构、原子层面的位错运动，就事论事，却偏离了工程应用解决疲劳的大方向。

我和团队分析过30多篇国内外论文，没有一篇有工程应用价值，犹如纸上谈兵。我有机会系统研究评价了当前世界已有的“成形”制造技术和表面完整性制造技术。结果表明，传统磨削加工Kt＊=1构件具有高的疲劳强度，可谓极限固有疲劳强度σF，但Kt＊=3构件的疲劳强度σNF急剧降低约50%，Kt＊=5构件急剧降低约80%，不敷应用，超高强度钢A-100构件如此，高强度钛合金TC17、高温合金GH4169DA构件均如此，σNF﹤σF是一个与材料无关的普遍规律。从而发现疲劳源自应力集中，应力集中源自“成形”制造，亦即疲劳源自“成形”制造是一个与材料无关的制造问题。用表面喷丸强化研究了高强度钛合金TC17构件发现，Kt＊=1构件350℃疲劳强度σF高达678MPa，磨削Kt＊=3构件的疲劳强度σNF急剧降低为330MPa不敷应用，表面喷丸强化后回升到400MPa，仅提高了11个百分点，未解决疲劳问题仍不敷应用。可以说，疲劳源自应力集中，应力集中源自表面完整性制造，疲劳源自表面完整性制造。由此可见，当前世界已有的“成形”制造技术和表面完整性制造技术均诱发疲劳，均造成疲劳灾难，当然不可能制造出高端装备和构件。我和团队研究提出了抗疲劳制造技术：控制表面完整性和表面变质层，以疲劳为主要判据和达到极限疲劳强度的制造技术。结果是超高强度钢A-100“成形”制造Kt＊=1构件室温极限固有疲劳强度σF为905MPa，Kt＊=3构件疲劳强度σNF恢复到1275MPa，提高275%，超过极限固有疲劳强度σF23%。高强度钛合金TC17Kt＊=3构件350℃中温疲劳强度σNF恢复到730MPa，提高120%，超过极限固有疲劳强度σF7%。高温合金GH4169DAKt＊=3构件650℃高温疲劳强度σNF恢复到770MPa，提高160%，超过极限固有疲劳强度σF5%。可见，抗疲劳制造后疲劳强度非但不降低反而超过极限固有疲劳强度，σNF≥σF是一个与材料无关的普遍规律，亦即抗疲劳制造抑制应力集中，抑制疲劳，构件可用到极限是一个普遍规律。总之，疲劳因“成形”制造技术和表面完整性制造而生，因抗疲劳制造制造而消失，“天下无疲劳”。从而提出了抗疲劳制造新概念、新理论、新方法、新技术，成为完全不同于“成形”制造技术和表面完整性制造技术的新一代先进技术。有了抗疲劳制造技术，传统“成形”制造技术和表面完整性制造技术已完成了历史使命，抗疲劳制造技术以其极限寿命，极限可靠性、极限减重、屏蔽疲劳开启高端装备制造新纪元，奉献中华民族伟大复兴，“天下无疲劳”规避疲劳灾难创造出光辉灿烂的制造新文明。

为材料强国注入内生动力

材料是制造物品和器件的物质基础，制造强国与材料强国密不可分。制造强国的主要判据是极限寿命、极限可靠性、极限减重，材料强国的主要判据是物尽其用、用到极限，做得好、用得好才是好材料。所谓“做得好、用得好”就是材料兼有极限固有性能和极限服役性能。但是，当今世界上少有两个极限性能的先进材料。因此，材料成为制造强国的重要制约因素。材料的主要问题在于服役性能低下。翻开所有材料手册，没有一个金属结构材料不是σNF﹤σF，亦即仅有极限固有性能而无极限服役性能，或者说既无一个材料可用做关键构件。以超高强度钢A-100为例，抗拉强度高达2000MPa，疲劳强度905MPa，可谓极限固有性能优良。但是，Kt＊=3构件疲劳强度骤降为333MPa，疲劳强度应力集中敏感,不敷应用，并带来一系列问题。设计飞机起落架时，因A-100钢疲劳强度应力集中敏感不得不提高安全系数、降低许用应力，从而图样成为寿命短、结构重；按图样加工制造时附加一个表面应力集中，再次降低疲劳寿命，附加的表面应力集中水平高低，在什么位置不确定，构件成为寿命短、可靠性差、结构重，远低于设计。构件服役时故障频发，不得不返厂维修，严重的还会毁伤设备、需要更换。如此过程可谓司空见惯，误工误事、耗资耗人，粗算附加成本超过制造数倍，粗估附加工作量增加一倍，制造商每赚1元用户需贴陪5～10元，原本应该盈利的构件制造成了赔钱货，可谓负经济制造。可见，A-100钢研制仅完成一半，仅具有极限固有性能，不敷应用，必须完成另外一半：赋予极限服役性能。这就是我提出的材料科学与工程“两个全过程”：材料研制全过程和材料应用研究全过程。材料研制全过程赋予极限固有性能，材料应用研究全过程赋予极限服役性能，“两个全过程”赋予极限固有性能+极限服役性能。

半个世纪前，美国提出的材料科学与工程“四要素”赋予极限固有性能，材料应用研究全过程至今少有履行，并成为无一个材料可用于关键构件的原因。不同材料因服役目标不同而极限服役性能指标不同，如同赋予极限固有性能一样，需要理论、技术、关键构件制造、服役评价等。我有机会完成了轴承齿轮钢M50NIL应用研究全过程，结果是主轴轴承疲劳寿命达到100000小时未失效，滚动体接触疲劳寿命达到420万小时领先世界，超过“成形”制造和表面完整性制造产品100倍以上，失效机理回归赫兹理论。从而提出了应用研究新概念、新理论、新方法、新技术。同样，也完成了超高强度钢A-100应用研究全过程，赋予了极限服役性能，如Kt＊=4室温疲劳强度从研制状态的245MPa提升到1275MPa，达到σNF≥σF；完成了高强度钛合金TC17应用研究全过程，赋予了极限服役性能，Kt＊=3构件350℃疲劳强度从研制状态的300MPa提升到730MPa，达到σNF≥σF；完成了高温合金GH4169DA应用研究全过程，赋予了极限服役性能，Kt＊=3构件650℃疲劳强度从研制状态的297MPa提升到770MPa，达到σNF≥σF。可见，应用研究后材料一改研制状态的σNF﹤σF规律不敷应用，呈现σNF≥σF规律，可用到极限。其原因在于应用技术用强韧化的理论和技术在构件表面构筑了一个超强韧性新材料，抑制了应力集中，抑制了疲劳。同理，其他结构材料以及功能材料、电子材料、生物材料亦应可通过特殊应用理论和技术抑制应力集中和服役行为的降低用到极限。应用理论和技术的到来将颠覆材料世界。

发展新质生产力

新质生产力是相对于传统生产力而言，是以创新起主导作用，摆脱传统经济增长方式、生产力发展路径，具有高科技、高效能、高质量特征，符合新发展理念的先进生产力质态。一句话，新质生产力是最具颠覆性的先进生产力质态。抗疲劳制造是新质生产力：（1）最具颠覆性的理论创新，即“无应力集中”抗疲劳理论：带有应力集中的构件具有无应力集中时的疲劳强度，抗疲劳制造新概念：控制表面完整性和表面变质层，以疲劳为主要判据和极限疲劳强度的制造技术，抗疲劳制造-极限寿命设计-极限性能材料三位一体新方法，结束了百年制造缺失基础理论的历史，指明了σNF≥σF制造技术大方向；（2）最具颠覆性的技术创新，极限寿命、极限可靠性、极限减重，σNF≥σF颠覆了百年传统“成形”制造和表面完整性制造技术，结束了寿命短、可靠性差、结构重，σNF﹤σF制造历史，成为升级高端制造的唯一技术；（3）最具颠覆性的设计创新，薄壳结构、极限寿命设计颠覆了百年传统静强度设计、安全寿命设计，结束了设计图样寿命短、可靠性差、结构重，产品性能低于设计的设计历史,开启了极限寿命、极限可靠性、极限减重设计新纪元；（4）最具颠覆性的材料创新，极限固有性能σF和极限服役性能σNF≥σF材料结束了σNF﹤σF传统材料历史；（5）最具颠覆性的关键构件创新，薄壳结构、极限寿命、极限可靠性、极限减重，全寿期无故障服役，结束了有史以来关键构件寿命短、可靠性差、结构重，故障频发并殃及高端装备制造的历史；（6）最具颠覆性的抗疲劳效果，“天下无疲劳”结束人类千百年疲劳灾难史，开创了制造新文明；（7）最具颠覆性的跨学科技术，融合制造、疲劳、材料与一体，实现极限寿命、极限可靠性、极限减重，结束了百年切削制造史。

抗疲劳制造新质生产力，新就新在新理论、新技术、新材料、新设计、新制造、新构件、新知识域、新产业域，弥补三次工业革命未触及高端装备制造的历史性空缺，是三次工业革命以来生产力水平质的跃迁。抗疲劳制造新质生产力是一项跨越百年的世纪性科技创新，突出体现于，结束了有制造以来的百年、千年疲劳灾难史，开启一个制造文明新时代。抗疲劳制造新质生产力引领全球性创新可持续发展，对全球化经济发展具有决定作用，是驾驭世界百年未有之大变局的强有力抓手。

站上学科人才制高点

学科是教育中的归类和组织，与知识相联系的一个学术概念，其发展和划分使得人们能够更加专注和深入地研究某一领域。学科水平是国家级科学技术与人才的评价指标。“机械工程”是世界一级学科，但国内外内涵不同并彰显制造水平差异，竞争在于谁主沉浮。试看，美西方“机械工程”学科的基本内涵是表面完整性制造，中国“机械工程”学科的基本内涵是“成形”制造，属于“代差”，是美西方世界关键构件与装备制造垄断地位，中国制造受制于人的现实写照。中国“机械工程”学科培育的人才属于“成形”制造，与美西方的表面完整性制造人才“代差”，也是中国学子仰慕施坦福、剑桥的现实写照。但是，中国发明抗疲劳制造技术后，博弈的优势发生了逆转，中国“机械工程”学科的基本内涵升级到抗疲劳制造技术，占据了“机械工程”制高点，形成超越美西方表面完整性制造的新“代差”，美西方世界关键构件与装备制造垄断地位将被颠覆，中国高端装备制造引领世界。于是，中国“机械工程”是抗疲劳制造科学与工程，新概念、新理论、新方法、新知识域、新一代先进技术，抗疲劳制造学科培育的是引领世界的新人才，中国学子仰慕的是抗疲劳制造新知识域和中国制造科学家。可见，抗疲劳制造成就的不仅是关键构件与高端装备制造，而且是新学科、新人才，是制造强国和中华民族伟大复兴，是中国特色社会主义新时代。

“材料科学与工程”是另一个世界一级学科，内涵不同彰显材料水平差异，同样竞争于谁主沉浮。半个世纪以来，美西方以“四要素”全过程研制材料，创新极限固有性能材料领先世界，中国材料研制少有完成“四要素”全过程，多于模仿。相比之下，“材料科学与工程”学科水平差距明显。重要的是国内外均未走上“两个全过程”，普遍缺失极限服役性能以致凑合应用中发生诸多问题，增加许多虚功，劳民伤财。当然，相伴而来的是“材料科学与工程”培育的材料人才也限于材料研制。所以，人们常常看到创新材料的报道，当然可喜可贺，业者在尽力尽责奉献，应当受到尊重，但却不是可用材料。急需的是加快走上“两个全过程”，转变观念，升级学科，创造新概念、新理论、新方法，创造极限固有性能+极限服役性能材料。中国率先提出“两个全过程”，示范极限固有性能+极限服役性能，率先站上学科、人才制高点理所当然！疲劳虽未列入世界一级学科名录，但却遍布力学、材料、制造等众多学科之中，也是地、空、天、海各业的要害，以“天敌”级别处之并不为过。如今看来，走出混沌、愚昧怪圈和疲劳灾难，除了坚定不移建立“无应力集中”抗疲劳理论体系，从应力集中视角认识疲劳，从应力集中入手解决疲劳建立抗疲劳制造技术体系别无他途。

中国制造领先世界

中国是一个发展中国家，制造强国、材料强国、科技强国、学科强国、人才强国、质量强国等都是中华民族伟大复兴的重要标志和内涵，面对世界百年未有之大变局时代中国制造领先世界已成当务之急。强国和领先世界都要高科技铸就，自主创新托底，科学态度兑现和体制保证。当前，“无应力集中”抗疲劳理论、“两个全过程”理论、强韧化理论奠定了先进材料抗疲劳制造技术的理论基础，极限固有性能+极限服役性能材料为极限寿命、极限可靠性、极限减重关键构件设计奠定了基础，抗疲劳制造技术、无应力集中装配技术为关键构件、部件、高端装备制造和全寿期无故障服役提供了保证，却远不能与强国相提并论，但已初步走出了阴影，度过了迷茫期，可以起航入轨，后续工程应用、极限经济更艰巨，至为关键的是相信科学、相信自己。

为赓续发展，至少要做三件事。第一件是确立体制保障，构建三位一体创新联合体，以制高点学科确保新概念、新理论、新方法、新人才，以科研机构职司高科技创新、育成高端产品，以高端制造跨国企业创新规模生产、应用，收获极限经济，三位一体技术传递、经济一体、全产业链创新。第二件是坚持自主创新，以科学认识论、实践是检验真理的唯一标准为指导，实施“创新全过程”：以应用基础理论、技术、工程化应用、服役反馈四要素循环反复，直至失效机理与基础理论一致结束，从而确保获得相对真知，即可用可靠理论、技术或产品。第三件是举国体制、全国一盘棋，充分发挥中央和省市两个积极性：减轻央企负担，聚力装备，讲求实效、立竿见影，攀登制高点；压担省市一关键构件，加快提升理论、高端技术、跨国企业水平。政府抓住机遇，以决策、布局、政策为引领，一个项目、一个责任者、一个方案、一张蓝图绘到底，实施三阶段评价，确保存活率100%，趟出一条中国特色先进理论、高科技、高端材料、构件、装备制造领先世界的道路，无愧于中国特色社会主义新时代。鲁迅先生说过：世界上本没有路，走的人多了，也便成了路。古希腊物理学家阿基米德说过：给我一个支点，我就能翘起地球。中国俗语说“世上无难事，只拍有心人”，迈开双脚，中华民族伟大复兴自在眼前。