金属疲劳断裂是导致飞机、船舶、桥梁等关键工程结构突发性失效的主要原因，每年引发数千起事故，造成近万人伤亡和高达千亿美元的经济损失。传统检测技术（如声发射、超声波、红外热像等）难以捕捉疲劳早期如亚纳米级原子位移、局部金属键断裂等微观损伤特征。而基于宏观应变或刚度变化的检测方法，在材料断裂临界状态前几乎探测不到明显变化，导致“无明显征兆的突然断裂”成为工程实践中的重大安全隐患。

近日，材料领域的国际期刊《Nature Communications》上在线发表了一篇题为“High-Accuracy Fatigue Life Prediction and Early Fracture Warning for Ferromagnetic Metals via Spin Correlation Amplification”的研究论文。在该论文中，团队创新性地提出了一种“量子自旋关联放大”方法，实现了对铁磁金属在疲劳过程中原子间结合力动态弱化的宏观观测，基于该方法建立的疲劳寿命预测模型，其精度（R²>0.9）远超传统应力-寿命（S-N）曲线方法，并成功为所有193个测试样本提供了有效的断裂前预警，为解决长期困扰工程结构的金属疲劳突然断裂提供了全新的解决方案。通讯作者为重庆交通大学的张奔牛教授和郑罡研究员。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-026-70290-w

【核心内容】

这项研究的核心突破在于发现了铁磁金属疲劳过程中，原子间结合力与量子交换相互作用存在同步弱化机制，当材料因疲劳累积导致原子间距微小增大时，两者会同步减弱。然而，这种微观变化极其微弱，难以直接观测。团队提出，通过施加外部磁场，激发“量子自旋关联放大效应”，可以将这种微观的弱化信号在穿过材料内部层层疲劳损伤区时进行累乘式放大，最终转换为可被宏观传感器（如霍尔传感器）检测到的显著磁通量变化（定义为MagDrift）。

以持续滑移带（PSB）为例，展示疲劳微观发展过程及原子间结合力与交换相互作用同步关系的示意图

【研究成果】

① 高灵敏度的疲劳损伤微观信号宏观化检测

团队通过外部磁场激发的自旋关联放大效应，实现了对整个长期疲劳发展过程中动态磁效应的宏观观测，且磁信号对疲劳变化的灵敏度远高于传统机械参量，载荷引起的磁强度变化是中值应变变化的69.22倍；而由疲劳引起的MagDrift变化率是材料伸长变化率的8.05至40.20倍。

基于自旋磁矩关联放大机制的加载过程磁场强度变化趋势与累积放大效应示意图，其中(b)包含循环载荷下磁强度、应变、MagDrift和位移幅值变化的对比

② 建立高精度疲劳寿命预测模型

团队在本研究中对软磁铁、Q235钢、45钢、纯镍、桥梁拉索钢五种铁磁合金，共计193个样品进行了累计超过3700h的疲劳测试，并建立了疲劳诱导的磁通量变化（MagDrift平均变化率kav）与疲劳寿命（Nf）之间的映射关系模型：

其中，kc为与材料电子云重叠程度相关的参数，C为与铁磁性元素含量正相关。通过该模型可以利用早期循环载荷数据（仅需10%的疲劳寿命数据）进行预测，其预测寿命与实际寿命的相关系数即高达0.91，预测精度优于传统S-N曲线。

铁磁材料的MagDrift偏移曲线与归一化曲线，展示了不同材料在疲劳过程中磁信号的演化规律

③ 两级疲劳失效预警系统，实现100%预警成功率

基于MagDrift在断裂前出现的突变特征，利用上述寿命预测模型进行实时寿命估算，团队开发了一套两级预警系统，在全部193个样本的测试中，该预警系统成功对每一个样本的最终断裂发出了有效预警：

• 第一级预警（预备预警）：当剩余寿命达到10%时触发预警，为维护决策提供缓冲期；

• 当监测到MagDrift发生突变时，触发第二级报警（临界断裂报警），同时，在报警触发后，材料仍能安全承受数千次额外的载荷循环，为采取紧急停机、规避灾难性断裂提供了充足的时间窗口。

(a) 四种铁磁合金的LogM-N与LogS-N曲线对比；(c) 软磁铁样本的M-N曲线与S-N曲线对比；(d) 基于不同早期循环数据对软磁铁疲劳寿命的估计；(e) 基于MagDrift的预警方案原理与效果；(f) 预警系统应用示意图（以螺旋桨为例）

【总结与展望】

团队提出的“磁激励-自旋关联放大”方法，是铁磁金属疲劳评估领域的一项变革性技术，成功架起了微观量子效应与宏观工程安全之间的桥梁，实现了对疲劳过程中原子层次损伤的动态、高灵敏度宏观观测，在交通、航天、能源等关键领域具有巨大的应用潜力和价值。