根据Hall-Petch关系，材料的强度会随着晶粒尺寸的减小而提高。可是，在循环轴向载荷下，由于超细晶和纳米晶材料微观组织的不稳定性，其高周疲劳强度的提高确是非常有限的。为了探索超细晶和纳米晶材料的应用空间，我们改变了材料所受的应力状态，选用粗晶铜、冷拔铜和超细晶铜，研究了晶粒尺寸对扭转疲劳行为的影响，并与其拉压疲劳行为进行了对比。结果表明：随着晶粒的细化，扭转疲劳强度有了非常显著的提升。在两种疲劳模式下σ，随着晶粒的细化，疲劳强度系数（σ'_f）均得到了提高，疲劳强度指数（b）却表现出了不同的变化趋势：在拉压疲劳中是下降的，在扭转疲劳中是上升的。由于材料的疲劳强度指数与其疲劳损伤难易程度有关，而应力状态的不同会使两种疲劳模式下裂纹的萌生和扩展方式有所差异，因此，我们通过比较裂纹萌生和裂纹扩展这两个阶段的疲劳损伤难易程度，对疲劳强度指数的变化进行了分析。分析的结果表明：随着晶粒的细化以及疲劳强度系数的增加，拉压疲劳中疲劳强度指数的下降主要是由裂纹萌生阶段引起的，原因主要是应变局部化程度的增加；扭转疲劳中疲劳强度指数的上升主要是由裂纹扩展阶段引起的，这主要归因于应力梯度对裂纹向样品内部扩展的阻碍作用,如图3所示。总的来说，疲劳强度系数和疲劳强度指数的倒置关系限制了拉压疲劳强度的提高，而两者的同步增加使扭转疲劳强度有了明显的改善。这些研究结果将为拓宽超细晶和纳米晶材料的应用前景作出一定的贡献。相关研究结果见R. H. Li, et al., Acta Mater. 61 (2013) 5857-5868, Mater. Sci. Eng. A 574 (2013) 113-122.

　　Fig. 3:  Relationships between fatigue strength coefficient and fatigue strength exponent of pure Cu with three different states under cyclic tension-compression and torsion loadings. The corresponding dominant reasons are schematically schematically illustrated in the inserted graphs.