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材料的失效行为中,有60%～80%属于疲劳失效,而疲劳裂纹往往萌生于工件表面。采用表面纳米化方法在材料表面制备梯度纳米层,可以有效改善材料的疲劳性能。为澄清疲劳裂纹在梯度纳米层中的扩展过程,选择表面超声滚压作为表面纳米化方法,开展如下研究工作:(1)通过设计特殊的表面超声滚压加工路径,在Ti-6Al-4V合金板材表面制备出厚度达到300 μm的梯度纳米层,随着表面超声滚压处理遍数的增加,梯度纳米层更加均匀稳定。使用透射电子显微镜对梯度纳米层不同深度的组织结构进行观察,发现晶粒细化是孪晶和位错等多种方式共同作用的结果;(2)研究发现表面超声滚压有效提高Ti-6Al-4V合金表层的显微硬度,并在表层引入残余压应力,降低表面粗糙度,并大幅度提升Ti-6Al-4V合金的疲劳寿命;(3)通过预制角裂纹缺陷的方式定位裂纹萌生位置,采用复型法观察裂纹扩展路径,澄清多尺度疲劳裂纹在梯度纳米层中的扩展过程。发现表面超声滚压后Ti-6Al-4V合金的裂纹扩展路径出现裂纹路径改变和裂纹路径偏折行为,与原始样有明显不同。表面超声滚压后Ti-6Al-4V合金的裂纹扩展速率明显降低;(4)随应力比R增大,Ti-6Al-4V合金表面超声滚压样和原始样的疲劳寿命均在不断提高。在试验选择的各个应力比下,表面超声滚压样的疲劳寿命均显著高于原始样,表面超声滚压样的裂纹扩展速率均明显低于原始样的裂纹扩展速率。