疲劳研究的一个核心问题是疲劳裂纹萌生和损伤演化的微观过程。因此，量化和表征不同取向晶粒/晶界的变形/损伤与循环周次之间的关系，对于揭示疲劳机理、建立准确的疲劳寿命模型具有极其重要意义。然而，现有的原位扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）或原位电子背散射衍射（Electron Backscattered Diffraction, EBSD）方法，难以实现大载荷、高频率、不同应力比等条件下微结构和损伤演化研究。
力学所非线性力学国家重点实验室微结构计算力学课题组孙成奇研究员等将常规试验机（如MTS试验机）与EBSD观测技术相结合，发展了一种可以实现大载荷、高频率、不同应力比下微结构和损伤演化的准原位EBSD观测方法，并研究了深海载人潜水器耐压舱用钛合金和增材制造钛合金在（保载）疲劳载荷下的变形和损伤行为。
研究发现，α晶粒中是否能形成孪晶取决于晶粒的晶体学取向和加载条件，一定程度的保载应力促进可以发生孪生的α晶粒中孪晶的形成（图1a）；观测到随着循环周次增加α晶粒中取向差增大和亚晶粒的形成（图1b），以及α晶粒中由于孪生而形成亚晶粒的过程（图1c），为循环载荷下位错滑移和孪晶的形成都可以诱导晶粒的细化提供了直接证据。
研究也表明，一定程度的最大应力保载有利于脆性微裂纹的形成，但如果保载应力高或保载时间长，保载引起的塑性变形会抑制脆性微裂纹的增长，并诱导延性破坏模式。该研究从微观尺度解释了保载应力和保载时间不同而导致的不同失效机制。
图1 a: 发生孪晶的α晶粒c轴与施加轴向应力之间夹角和柱面滑移施密特因子（Schmid Factor, SF）关系；
b:α晶粒内取向差变化和亚晶粒形成；c: 孪晶增长和亚晶粒形成
相关研究得到国家自然科学基金基础科学中心“非线性力学的多尺度力学研究”项目(11988102)等支持。部分研究结果与北交大合作完成，主要研究成果发表在Int. J. Fatigue 2023, 176: 107897；Int. J. Fatigue 2023, 175: 107821