疲劳失效是航空航天、能源动力及交通运输等重大装备长期服役过程中最常见、也是最危险的失效形式之一。随着表面强化技术的发展，通过在材料表层构筑超细晶或纳米晶组织来提升疲劳性能，已成为当前金属结构材料的重要强化策略。然而，大量研究发现，这类强化组织在长期循环载荷作用下容易发生晶粒粗化、晶界迁移及组织重构等演化现象，导致强化效果逐渐衰减。因此，如何保持强化组织在循环过程中的微观结构稳定性，已成为限制梯度纳米结构工程应用和抗疲劳设计的关键科学问题。
纳米层片结构因在强度、热稳定性和循环稳定性方面展现出显著的性能潜力，近年来受到广泛关注。然而，纳米层片为何能够保持优异的循环稳定性，以及晶界倾角、晶界拓扑等关键微观结构特征如何影响层片组织演化和力学响应，仍缺乏系统研究。这些问题不仅限制了梯度纳米结构设计理论的发展，也制约了高性能抗疲劳金属材料的进一步优化。
针对上述问题，华东理工大学涂善东教授、张显程教授带领团队结合疲劳实验及大规模分子动力学模拟，系统比较了梯度纳米层片结构与梯度等轴晶结构的循环稳定性差异，揭示了晶界倾角与晶界拓扑协同调控纳米层片循环稳定性的物理机制。研究发现，纵向低角度晶界能够通过可逆晶界位错滑移协调循环塑性变形，而横向高角度晶界则维持层片整体稳定，两者共同赋予纳米层片优异的疲劳抗力。相关研究为梯度纳米结构材料的抗疲劳设计提供了新的理论依据。
相关成果以[Cyclic stability of nanolamellar titanium dictated by grain-boundaryinclination and topology]为题刊登于Acta Materiala上，博士生贺琛贇为第一作者，张显程教授、张勇博士为共同通讯作者，合作作者还包括姚树磊博士、张开明博士。
数据概况
图1 循环载荷前后表层组织演化。纳米层片结构仅发生有限增厚，而等轴超细晶结构出现晶粒长大和异常粗化。
图2 分子动力学模拟揭示纳米层片与等轴晶结构的循环变形机制。纵向低角度晶界通过可逆位错滑移容纳变形，横向高角度晶界保持稳定；等轴晶则发生晶界迁移、再结晶和异常长大。
图3 不同倾角低角度晶界对循环稳定性的影响。
图4 不同晶界分布层片结构的棘轮应变演化。
总结展望
这项研究表明，纳米层片结构钛在疲劳过程中只发生有限增厚，而等轴晶结构则出现明显异常晶粒长大。原子尺度模拟揭示，纵向低角度晶界和横向高角度晶界的组合是维持纳米层片循环稳定性的关键。纵向低角度晶界能够通过可逆晶界位错滑移协调循环变形，而横向高角度晶界则保持相对稳定，有助于维持层片厚度和整体构型。研究还指出，低角度晶界的倾角和晶界拓扑都会显著影响层片结构的循环稳定性，其中“纵向低角度晶界 + 横向高角度晶界”的拓扑组合能够在力学性能和疲劳稳定性之间取得更优平衡。从设计角度看，该研究为钛及相关合金的抗疲劳表层界面调控提供了新的思路，疲劳过程中的微观组织演化难以完全避免，关键在于这种演化不能破坏核心结构参数（例如本文的层片厚度）。
致谢
该研究工作得到了国家重点研发计划（2022YFB4602100）、国家自然科学基金（52405154）、上海市自然科学基金（25ZR1402117）及中国博士后科学基金（GZB20250351、2025M781284、2025T180384）的支持。
原位链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122483
