據廣泛報道，材料在低于其靜態強度的重復應力下易發生失效，這通常被稱為疲勞失效。早在19世紀60年代，Wöhler首次提出了疲勞極限的概念，表示在約10^6到10^7次循環下的循環應力幅度，低于此值某些材料可以表現出無限壽命而不失效（盡管在更高的循環次數約10^9次或更多時，無限壽命的概念可能不再適用）。在沒有無限壽命的情況下，耐久極限被定義為材料在通常10^7次循環下能夠承受的疲勞強度而不失效。因此，無論是作為疲勞極限還是耐久強度，疲勞強度作為一個關鍵參數，定義了材料在交變載荷下的性能，特別是評估工程部件在使用條件下能否安全服役。盡管在循環推拉載荷下的疲勞強度可能低于同一材料在其他循環載荷模式下的疲勞強度，例如滾動接觸疲勞、旋轉彎曲載荷等，但為了便于與其他材料在推拉載荷下的豐富疲勞數據進行比較，在本研究中，疲勞強度被定義為在推拉載荷下10^7次循環的疲勞極限。

由于疲勞失效在現代技術中的極端相關性，一直以來都在不斷尋求開發具有更高拉伸強度和疲勞強度的高性能金屬材料。例如，Ashby提供了各種材料的這兩個重要機械性能之間的相關性，其中顯而易見的是，由于其優異的機械性能，鋼材通常表現出最高的拉伸強度水平。然而，在鋼材中，其疲勞強度不超過1 GPa。事實上，在傳統非超聲頻率條件下，結構材料中最高的疲勞強度是在推拉載荷下的軸承鋼中達到的1000 MPa，這一記錄已保持了二十多年。

對于特定的鋼材，原則上其疲勞強度取決于加工溫度和時間，因此合理控制溫度和時間可以實現最佳的疲勞強度。然而，關鍵問題在于通常不知道獲得最佳疲勞強度所需的基本加工溫度和時間。大約150年前，Wöhler首次提出了低強度和中等強度材料的疲勞強度σw與拉伸強度σb之間的經驗關系（σw = mσb，其中m為常數）。自那時以來，提高材料的拉伸強度一直是提高疲勞（耐久）強度的常規手段。然而，這種方法存在缺陷，因為在許多高強度鋼中不滿足這一要求，因為它們的疲勞強度對微觀結構和缺陷更為敏感。最近的研究詳細表明，當拉伸強度超過某個臨界值時，這些高強度材料的疲勞強度表現出一種拋物線關系，隨著拉伸強度的增加，疲勞強度先增加后減少。具體而言，拉伸強度越高，高強度材料對缺陷和其他應力集中點的存在以及微觀結構的敏感性越強。對于高強度GCr15軸承鋼，疲勞失效總是容易從較大尺寸的非金屬夾雜物開始。因此，隨著拉伸強度的增加，疲勞性能自然對夾雜物尺寸更加敏感。因此，夾雜物被認為是高強度鋼疲勞強度無法進一步提高的主要原因之一，增強這些鋼的疲勞強度的一個重要方法是減小夾雜物尺寸。然而，無論是熱處理還是夾雜物控制，測得的最佳疲勞強度仍低于預期。

先前的研究表明，添加稀土元素可以有效控制夾雜物的尺寸、形狀和成分，從而可能改善相應的疲勞壽命。添加這些稀土確實在循環推拉載荷下將疲勞強度提高到約880 MPa（10^7次循環）和約787 MPa（10^9次循環），但仍未能打破GCr15軸承鋼的疲勞強度記錄。由于稀土添加對疲勞損傷的影響顯然需要進一步澄清，本研究中的觀點是，必須考慮夾雜物和微觀結構對疲勞強度的耦合效應。因此，研究最終目標是使用高碳鉻GCr15軸承鋼實現迄今為止鋼材的最高疲勞強度。

圖文導讀

圖1. 實驗樣本的形狀和尺寸，單位為毫米。(a) 拉伸試驗；(b) 高循環疲勞試驗。

圖2. 在疲勞起始點的對稱掃描電子顯微鏡（SEM）形態，展示了同一疲勞斷裂試樣的兩個半部及不同類型夾雜物的能量色散X射線光譜（EDS）分析。(a1-a4) GER鋼中的立方氮化物（TiN）；(b1-b4) GER中的單一球形氧化物（Al2O3）；(c1-c8) RES鋼中的RE2O2S；(d) 兩種軸承鋼在疲勞起始點的不同類型夾雜物的百分比。

圖3. 不同類型夾雜物內部的掃描透射電子顯微鏡（STEM）形態。(a) GER鋼中球形氧化物（Al2O3）的高角環形暗場（HAADF）圖像。(b) RES鋼中RE2O2S的透射電子顯微鏡（TEM）明場（BF）圖像。(c) 和(d) 分別為(b)中氧化物夾雜物和硫化物夾雜物的高分辨率HAADF-STEM圖像及相應的選區電子衍射（SAED）圖案（插圖）。

圖4. 矩陣與夾雜物之間界面的STEM圖像。(a)和(b)分別為GER鋼中Al2O3和RES鋼中RE2O2S的HAADF圖像。(c)和(d)為界面處的高分辨率HAADF-STEM圖像，以及(b)和(c)中界面內原子的排列。(e)為稀土元素修飾層的原子尺度EDS映射。(c)中的插圖為RES鋼中矩陣與夾雜物之間界面的SAED圖樣。

圖5. 基體與夾雜物界面周圍的幾何必要位錯（GND）密度。(a, c) 和 (b, d) 分別為GER鋼中Al2O3和RES鋼中RE2O2S的EBSD取向映射及相應的GND密度映射。(e) 平均GND密度變化與遠離界面的距離之間的關系。虛線在(b, d)中指示了遠離基體與夾雜物界面方向的距離。

圖6. GER鋼和RES鋼中不同類型夾雜物的掃描電子顯微鏡（SEM）形態。基于電解法提取的夾雜物的三維掃描電子顯微鏡形態，分別為（a）GER鋼和（b）RES鋼。（c）兩種軸承鋼中通過金相方法檢測到的夾雜物的尺寸分布。

圖7. 基于有限元法（FEM）模擬的GER鋼和RES鋼中不同類型夾雜物的應力分布。(a) 尺寸為2 mm的Al2O3，(b) Al2O3，(c) TiN，以及(d) 尺寸為10 mm的RE2O2S。(e) 在基體與不同類型夾雜物之間的界面上，沿加載方向的應力差分布，夾雜物的投影面積垂直于施加的加載方向，均為10 mm。FEM分析中施加的所有應力均為1000 MPa。白色虛線表示夾雜物的邊界。Z軸與加載方向平行。

圖8. 在不同回火溫度下兩種軸承鋼的透射電子顯微鏡（TEM）微觀結構。RES鋼： (a1) 160 °C；(a2) 240 °C；(a3) 420 °C；GER鋼： (b1) 160 °C；(b2) 240 °C；(b3) 500 °C。

圖9. 在不同回火溫度下獲得的GER鋼和RES鋼在不同微觀結構狀態下的拉伸和疲勞性能。(a) 不同回火溫度下RES軸承鋼的XRD圖譜。(b) 兩種軸承鋼的抗拉強度與均勻延伸率之間的關系。誤差條表示測量的相應抗拉強度和均勻延伸率的變化范圍。

圖10. 本研究中兩種軸承鋼的疲勞強度評估與其他鋼材的比較。(a) 疲勞強度測試的階梯圖和(b) 不同回火溫度下兩種軸承鋼的應力幅值與循環次數(S-N)曲線。(c) 本研究中兩種軸承鋼的抗拉強度與疲勞強度之間的關系，以及各種已報道的高強度鋼的對比。

結論

提高工程材料的疲勞強度是確保關鍵部件安全的最重要策略。遺憾的是，盡管大量高強度材料的抗拉強度超過3 GPa，但在拉壓加載下，其疲勞強度并未超過1 GPa。在此，報告了迄今為止在GCr15軸承鋼中，在拉壓加載下實現的最高疲勞強度（1103 MPa），這一成就得益于對微觀結構和缺陷的精確控制。首先，通過添加微量稀土元素改善夾雜物的塑性，有效防止其脆性斷裂。其次，形成了一種新的可剪切夾雜物/基體界面結構，進一步提升了它們的協同變形能力。第三，通過調整熱處理，減少夾雜物的疲勞開裂傾向，實現了抗拉強度與塑性之間的優良協同。這些新發現為如何通過微觀結構調整和缺陷控制提高高強度鋼的疲勞強度提供了深刻的見解。這一策略可以通過現有的工業技術輕松實現，并為改善其他高強度金屬材料的疲勞性能提供了一個有前景且有效的程序。