金属结构在交变载荷下的疲劳破坏是工程中最常见的失效模式。S-N 曲线（应力幅-寿命曲线）是疲劳设计的核心依据，它给出了在给定应力幅 S_a 下材料能够承受的循环次数 N_f。铝合金（如 2024-T3）广泛用于航空结构，其疲劳行为对表面状态极其敏感——表面微裂纹、粗糙度与缺陷显著降低疲劳寿命。原子力显微镜（AFM）以其纳米级分辨率，可在疲劳过程中原位追踪表面形貌演化与疲劳裂纹的萌生、扩展，为疲劳机理研究提供微观证据。
本项目针对 Al 2024-T3 铝合金开展拉压疲劳（R = −1）试验，获得 S-N 曲线，并结合 AFM 原位观察疲劳过程中的表面裂纹萌生与扩展行为。
疲劳试验在伺服液压/电磁疲劳试验机上进行，施加恒定应力幅 S_a 的交变载荷（R = −1 对称循环），记录试样断裂时的循环次数 N_f。将多组 (S_a, N_f) 数据绘制在半对数或双对数坐标上即得 S-N 曲线。低应力区存在疲劳极限（无限寿命对应的应力幅），对 Al 2024-T3 约为 130 MPa。S-N 曲线中段满足 Basquin 关系 S_a = σ_f'(2N_f)^b，其中 σ_f’ 为疲劳强度系数、b 为指数。
AFM 采用探针扫描试样表面，通过悬臂梁偏转反馈获得表面三维形貌（分辨率：横向 nm 级、纵向 0.1 nm 级）。在疲劳试验的特定循环数处中断，用 AFM 对试样标定区域（含预制缺陷或抛光表面）扫描，追踪微裂纹从萌生到扩展的演化。AFM 的相图与形貌图可区分晶粒、滑移带与裂纹。
图 20 的左面板给出 Al 2024-T3 的 S-N 曲线（蓝色实线，双对数坐标）。曲线在低应力端趋于水平渐近线，疲劳极限约 130 MPa（红色虚线标注）；在中高应力区，S_a 随 N_f 增大而降低，呈现典型的 Basquin 幂律关系。例如 S_a = 250 MPa 时 N_f 约 5×10⁴ 次，S_a = 180 MPa 时 N_f 约 10⁶ 次。该曲线是结构疲劳设计的直接依据，可用于：(1) 确定许用应力；(2) 估算给定载荷谱下的疲劳寿命；(3) 结合 Miner 线性累积损伤法则进行寿命预测。
图 20 的右面板给出 AFM 原位追踪的疲劳裂纹长度随循环次数的演化（红色曲线）。曲线呈典型的”缓慢萌生-快速扩展”两阶段特征：在 N < 2×10⁵ 次时裂纹长度变化缓慢（萌生阶段，裂纹长度 < 10 nm 量级），随后进入扩展阶段，裂纹长度快速增大。AFM 监测显示裂纹优先在表面滑移带与夹杂物处萌生，扩展初期沿特定晶体学方向。该微观数据将宏观 S-N 行为与表面微观损伤过程关联，为揭示”疲劳极限的微观机制”提供直接证据。
两面板结合，宏观 S-N 曲线给出寿命设计依据，AFM 微观监测揭示裂纹萌生-扩展机理，二者共同构成”宏观疲劳性能 + 微观损伤机理”的完整研究框架，是疲劳论文中的经典图组。
本项目完成了 Al 2024-T3 的疲劳测试与 AFM 原位监测，获得疲劳极限约 130 MPa 的 S-N 曲线，并观察到裂纹”萌生-扩展”两阶段特征。案例图以 S-N 曲线与裂纹演化曲线双面板呈现。
后续可拓展：(1) 开展不同应力比（R = 0、−0.5）的疲劳试验，建立平均应力修正关系（Goodman/Soderberg）；(2) 结合 AFM 高分辨测量裂纹尖端的塑性区与表面粗糙度演化；(3) 引入损伤力学模型，建立表面微观状态与剩余寿命的定量预测。
