在一些工業應用中，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異而在工業領域中被廣泛使用，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化挑戰。

在傳統的優化路徑中，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 微觀結構優勢

團隊通過循環扭轉（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應變局部化，保持結構穩定。

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（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 循環變形機理

高周疲勞下，表層胞壁反復激活部分位錯產生堆垛層錯（SFs）和形變孿晶（TBs），在胞尺度內實現應變去局域化，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的原子尺度動態響應機制

304不銹鋼疲勞損傷的多尺度形貌演化：GDS與CG狀態對比

【總結與展望】