高強(qiáng)鋼疲勞強(qiáng)度突破：強(qiáng)韌性與夾雜物的“平衡術(shù)”

王  鵬^*，許自寬^*，王  斌^*，張  鵬^*，李殿中^*，張哲峰^*

^*(中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016)

提高金屬材料疲勞強(qiáng)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(qiáng)度最高的金屬結(jié)構(gòu)材料，高強(qiáng)鋼的拉伸強(qiáng)度早已突破3 GPa，但其拉-壓疲勞強(qiáng)度長(zhǎng)期未能突破1 GPa的瓶頸。近日，張哲峰研究員團(tuán)隊(duì)與李殿中院士團(tuán)隊(duì)合作，在GCr15軸承鋼疲勞開(kāi)裂模型與性能優(yōu)化方面取得新的突破：通過(guò)建立夾雜物-強(qiáng)韌性協(xié)同調(diào)控理論，并采用稀土改性技術(shù)，成功地將軸承鋼的拉-拉疲勞強(qiáng)度提高到1600MPa，拉-壓疲勞強(qiáng)度提升至1103 MPa，較現(xiàn)有拉-拉、拉-壓疲勞強(qiáng)度世界紀(jì)錄分別提高4%和10%。

1. 夾雜物-強(qiáng)韌性協(xié)同調(diào)控理論

首先，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)分析GCr15軸承鋼中TiN和Al₂O₃兩類夾雜物的疲勞開(kāi)裂行為及疲勞壽命，揭示了兩類夾雜物類型對(duì)疲勞壽命影響的本質(zhì)在于其應(yīng)力集中效應(yīng)的顯著不同。定量模擬分析表明：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(qiáng)鋼冶煉過(guò)程中氮、氧元素的精準(zhǔn)控制提供了理論依據(jù)。

圖1. 夾雜物疲勞開(kāi)裂判據(jù)

其次，針對(duì)高強(qiáng)度狀態(tài)下夾雜物開(kāi)裂導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降的難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出了"疲勞開(kāi)裂臨界夾雜物尺寸判據(jù)"，建立了高強(qiáng)鋼疲勞開(kāi)裂時(shí)抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性與夾雜物尺寸之間定量關(guān)系，成功實(shí)現(xiàn)了在給定夾雜物參數(shù)條件下高強(qiáng)鋼強(qiáng)韌性能協(xié)同優(yōu)化抗疲勞的目標(biāo)，為高強(qiáng)鋼疲勞強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造提供了新的理論判據(jù)。

2. 疲勞強(qiáng)度突破

隨后，對(duì)GCr15軸承鋼進(jìn)行稀土添加改性，顯著降低了夾雜物尺寸，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，結(jié)合疲勞強(qiáng)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(qiáng)度1600MPa，拉-壓疲勞強(qiáng)度1103MPa的抗疲勞高強(qiáng)鋼，分別比現(xiàn)有拉-拉疲勞強(qiáng)度(1538MPa)和拉-壓疲勞強(qiáng)度(1000MPa)世界紀(jì)錄提高4%和10%。

圖2. 高強(qiáng)鋼疲勞強(qiáng)度突破：(a) 拉-拉疲勞強(qiáng)度；(b) 拉-壓疲勞強(qiáng)度

近期，上述關(guān)于拉-壓、拉-拉疲勞強(qiáng)度突破的研究成果分別發(fā)表在Acta Materialia和Journal of Materials Science Technology上，第一作者為王鵬博士、許自寬博士；通訊作者為張鵬研究員、李殿中院士、張哲峰研究員和美國(guó)加州伯克利分校的RO Ritchie教授。

該研究成果不僅打破了高強(qiáng)鋼疲勞強(qiáng)度世界紀(jì)錄，更重要的是建立了"夾雜物控制-強(qiáng)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、軌道交通等關(guān)鍵領(lǐng)域高端軸承材料研發(fā)提供了全新的技術(shù)路線。

本研究工作得到中國(guó)科學(xué)院C類先導(dǎo)專項(xiàng)(XDC04040502)、國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體(52321001)、重點(diǎn)(52130002)、面上項(xiàng)目(52371123)及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFB3705203)資助。

相關(guān)成果已發(fā)表如下：

1.疲勞損傷夾雜物類型修正模型：Scripta Mater. 206 (2022) 114232 (https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114232)

2.疲勞開(kāi)裂臨界夾雜物尺寸判據(jù)：J. Mater. Sci. Technol. 154 (2023) 114-128 (https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.02.006)

3.拉-拉疲勞強(qiáng)度突破：J. Mate. Sci. Technol. 230 (2025) 165-176 (https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.01.018)

4.拉-壓疲勞強(qiáng)度突破：Acta Mater. 289 (2025) 120888 (https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120888)