提高金屬材料疲勞強度是工程構(gòu)件安全服役的重要保障。作為目前已知疲勞強度最高的金屬結(jié)構(gòu)材料，高強鋼的拉伸強度已突破3GPa，但其拉-壓疲勞強度未能突破1GPa瓶頸。

中國科學(xué)院金屬研究所研究員張哲峰團隊與中國科學(xué)院院士李殿中團隊合作，在GCr15軸承鋼疲勞開裂模型與性能優(yōu)化研究方面取得進展。該研究建立了夾雜物-強韌性協(xié)同調(diào)控理論，并采用稀土改性技術(shù)，將軸承鋼的拉-拉疲勞強度、拉-壓疲勞強度提升至新水平。

該研究分析了GCr15軸承鋼中TiN和Al₂O₃兩類夾雜物的疲勞開裂行為和疲勞壽命，揭示了兩類夾雜物類型對疲勞壽命影響的本質(zhì)在于它們的應(yīng)力集中效應(yīng)不同。定量模擬分析發(fā)現(xiàn)，在相同尺寸條件下，Al₂O₃夾雜物的疲勞壽命損傷系數(shù)較TiN高約30%。這為高強鋼冶煉過程中氮元素和氧元素的精準(zhǔn)控制提供了理論依據(jù)。

針對高強度狀態(tài)下夾雜物開裂導(dǎo)致疲勞強度下降難題，該研究提出了疲勞開裂臨界夾雜物尺寸判據(jù)，建立了高強鋼疲勞開裂時抗拉強度、斷裂韌性與夾雜物尺寸之間定量關(guān)系，實現(xiàn)了在給定夾雜物參數(shù)條件下高強鋼強韌性能協(xié)同優(yōu)化抗疲勞的目標(biāo)，為高強鋼疲勞強度優(yōu)化設(shè)計與制造提供了新的理論判據(jù)。

進一步，該研究對GCr15軸承鋼進行稀土添加改性，降低了夾雜物尺寸，提升了夾雜物在疲勞載荷下的變形能力，形成了可剪切變形的夾雜物-基體界面，從而降低了夾雜物引起的應(yīng)力集中程度。在夾雜物控制基礎(chǔ)上，研究結(jié)合疲勞強度優(yōu)化判據(jù)，將其熱處理調(diào)至最優(yōu)狀態(tài)，獲得了拉-拉疲勞強度1600MPa，拉-壓疲勞強度1103MPa的抗疲勞高強鋼，分別比現(xiàn)有拉-拉疲勞強度和拉-壓疲勞強度世界紀(jì)錄提高4%和10%。

該研究建立了夾雜物控制-強韌性能匹配-缺陷界面優(yōu)化的系統(tǒng)性抗疲勞理論框架，為航空航天、軌道交通等領(lǐng)域的高端軸承材料研發(fā)提供了新技術(shù)路線。

近期，相關(guān)研究成果分別發(fā)表在《材料學(xué)報》（Acta Materialia）和《材料科學(xué)與技術(shù)雜志》（Journal of Materials Science & Technology）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的支持。

夾雜物疲勞開裂判據(jù)

高強鋼疲勞強度突破：（a）拉-拉疲勞強度、（b）拉-壓疲勞強度

本文內(nèi)容來源:

https://www.cas.cn/syky/202503/t20250309_5049290.shtml