钢丝绳作为关键的承力构件，广泛用于舰载机拦阻索、桥梁缆索、起重机等工程装备中。在服役过程中，钢丝绳频繁承受循环冲击载荷，单根钢丝的冲击寿命直接关系到整体结构的安全。然而，由于缺乏专门的实验技术和理论模型，柔性单丝在循环冲击下的失效分析与寿命预测，一直是力学与材料科学领域的研究难点。

近日，中国科学院力学研究所团队联合上海同步辐射光源、北京高能同步辐射光源等合作者，在该领域取得重要突破。团队自主研制了基于电磁驱动的单丝循环冲击实验平台，并创新性地提出了基于微孔洞演化机制的寿命预测模型，实现了对珠光体钢单丝冲击疲劳寿命的精准预测。相关研究成果以“Lifetime of single wire of pearlitic steel under cyclic impacts”为题，发表于疲劳领域权威期刊International Journal of Fatigue。

研究团队开发了一套电磁驱动循环冲击系统，可实现不同质量弹丸在不同速度下对单根钢丝的反复横向冲击。该系统与同步辐射光源的高速X射线成像及显微CT技术相结合，实现了对冲击过程中损伤演化的原位、实时观测。通过该技术（发明专利CN202511884110.3：适用于同步辐射光源的丝材冲击寿命测试装置及方法），团队首次捕捉到珠光体钢丝在循环冲击下以颈缩失稳模式发生断裂失效。随着冲击次数的增加，钢丝颈缩区内大量微孔洞萌生、长大并最终聚合，导致疲劳断裂。

基于上述微观机制，研究团队摒弃了依赖宏观力学量的传统模型（如Coffin-Manson律、SWT公式等），建立了一个直接关联微孔洞形核与生长的冲击疲劳损伤演化理论模型（软著登字第17823614号：单丝循环冲击寿命预测软件V1.0）。该模型将单次冲击的力学响应与循环累积的微孔洞损伤进行耦合，对循环冲击寿命的预测精度超过90%，远优于传统模型。

进一步，通过对建立的冲击疲劳模型进行量纲分析，推导出冲击寿命的指数型标度律关系。分析表明，循环冲击寿命由三个无量纲数控制：Johnson损伤数（单位体积钢丝冲击输入能量与其屈服强度之比）、Deborah数（冲击时间与孔洞形核特征时间之比）以及钢丝与弹丸的质量之比。其中，Deborah数的出现反直觉地揭示了：珠光体钢丝的冲击寿命主要由微孔洞的“形核”阶段而非“长大”主导。这一物理图像得到了团队前期分子动力学模拟的验证（Computational Materials Science 2026; 268: 114669）。

上述研究成果为理解高强钢丝在极端冲击载荷下的失效机理提供了全新视角，并为钢丝绳的工程设计与寿命评估提供了具备物理基础的理论工具。该研究范式也有望推广至其他由微孔洞演化主导失效的金属材料。

中国科学院力学所蔡松林副研究员为论文第一作者，蒋敏强研究员为通讯作者。该研究得到了中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、中国科学院学术技术骨干引进项目、国家自然科学基金等联合资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2026.109931

图：珠光体钢丝冲击疲劳寿命随冲击速度的实验结果及理论预测；插图（上）:冲击损伤颈缩模式的同步辐射X射线成像；插图（下）:颈缩区域微孔洞损伤的三维CT扫描。