在一些工業(yè)應用中，金屬結構部件常因疲勞而失效，304奧氏體不銹鋼因耐腐蝕性優(yōu)異而在工業(yè)領域中被廣泛使用，存在著在高周疲勞工況下疲勞極限低、壽命短的問題，如何在不犧牲材料塑性的基礎上提高高周疲勞性能一直是304不銹鋼的一個核心優(yōu)化挑戰(zhàn)。

在傳統(tǒng)的優(yōu)化路徑中，晶粒細化可顯著提高強度，但其在高周疲勞性能的提升上并沒有太大作用。近年來，開始有研究人員提出新的思路，即通過微觀結構的梯度設計，抑制應變集中，延緩微觀裂紋萌生，但該優(yōu)化策略對于304不銹鋼在近屈服應力條件下其高周疲勞性能的變化機理仍缺乏系統(tǒng)性的研究。

近日中科院金屬研究所盧磊研究員團隊與佐治亞理工學院合作，在合金中引入了梯度位錯胞結構（GDS）以獲得優(yōu)異的強度-延展性組合并提高了304不銹鋼的抗疲勞性能。這項研究結果于2025年8月7日被發(fā)表在國際期刊《Acta Materialia》上。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121415

【核心內容】

這項研究證明了在 304奧氏體不銹鋼（304 SS）中構建梯度位錯胞（GDS）結構可以顯著提高對對稱拉壓高周疲勞的抵抗力，GDS 304 SS在10⁷次循環(huán)下的疲勞極限達到320MPa，疲勞極限/強度比達到0.48，且保持了55%的均勻延伸率。

圖形摘要

【研究方法】

團隊以退火獲得單相粗晶奧氏體304不銹鋼為起始材料，通過大角度循環(huán)扭轉在表層引入高密度、亞微米級低角度位錯胞，形成從表面至芯部連續(xù)過渡的梯度結構。利用EBSD、TEM、納米電子衍射等手段對位錯胞尺寸、取向差及幾何必要位錯密度進行精確測量，并結合室溫拉伸、對稱拉-壓高周疲勞（R = -1，10Hz）和原子模擬揭示其變形機理。

【研究成果】

① 微觀結構優(yōu)勢

團隊通過循環(huán)扭轉（CT）技術制備了GDS 304 SS，平均晶粒尺寸為40μm，其表層等軸位錯胞平均直徑約為280nm，取向差0.98°，胞壁位錯密度達1.3×10¹⁵ m^-2，位錯胞平均直徑隨深度增加，在0.5mm深度達到350nm，在2mm深度達到480nm，這一梯度結構有效抑制循環(huán)應變局部化，保持結構穩(wěn)定。

具有梯度位錯胞結構的304 SS顯微組織

② 力學與疲勞性能

相比粗晶態(tài)（CG 304 SS），GDS 304 SS與CG的236±3MPa和610±2MPa相比，GDS 304 SS的屈服強度和極限抗拉強度顯著提高到了466±2MPa和664±12MPa，屈服強度提升約一倍，疲勞壽命在相同應力幅下提高至少一個數(shù)量級，且疲勞極限接近納米結構的304不銹鋼，但GDS 304 SS的這一提升沒有損失材料的塑性，保持著較高的55±1%均勻伸長率。

GDS和CG 304 SS的力學性能

③ 循環(huán)變形機理

高周疲勞下，表層胞壁反復激活部分位錯產(chǎn)生堆垛層錯（SFs）和形變孿晶（TBs），在胞尺度內實現(xiàn)應變去局域化，顯著減輕表面粗化，延緩裂紋萌生。原子模擬揭示SF/TB在加載-卸載過程中的可逆演化與累積硬化作用。

400MPa Δσ/2下GDS疲勞失效后的變形組織

不銹鋼納米晶體加載循環(huán)的原子尺度動態(tài)響應機制

304不銹鋼疲勞損傷的多尺度形貌演化：GDS與CG狀態(tài)對比

【總結與展望】