在航天航空和軍工及高端裝備領域，具有卓越強韌性的超高強鋼被廣泛應用，但人們對于其的優化依然沒有停止，目前，要想進一步提高超高強鋼的應用潛力，要突破的一大難點就是腐蝕與疲勞的交叉作用：腐蝕會加速疲勞裂紋萌生與擴展，而疲勞載荷又會削弱材料的抗腐蝕能力。傳統的如噴丸、激光沖擊強化等表面強化技術雖能在鋼表面引入壓應力層，但其強化深度有限、應力分布不均且易隨服役環境松弛。

因此，如何更有效地同時提升超高強鋼的抗腐蝕性與疲勞壽命，目前仍然在等待一個更佳的方案。近日，期刊《International Journal of Fatigue》發表了一篇題為“Simultaneously improving corrosion and fatigue resistance of A100 steel by laser-assisted ultrasonic nanocrystal surface modification”的研究論文，在論文中團隊創新性地在超高強鋼表面強化中提出了激光輔助超聲納米晶表面改性（LA-UNSM）策略，成功在A100鋼中構建了兼具梯度組織結構與壓應力場的復合強化層，實現了腐蝕性能與疲勞壽命的同步提升，為提高A100鋼在腐蝕和循環載荷作用下的使用性能提供理論和技術支持。論文的通訊作者為太原理工大學的趙偉東老師和趙敬偉教授。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2025.109056

【核心內容】

該研究以A100超高強度鋼為研究對象，全面研究了LA-UNSM工藝對A100鋼表面硬化層和殘余應力場的強化機制以及梯度組織的調節機制，揭示了組織強化/應力強化及其協同作用提高腐蝕疲勞抗力的內在規律，最終經優化處理的A100鋼的腐蝕電流密度顯著下降，腐蝕區更均勻，同時疲勞壽命提升近24倍。

【研究方法】

研究所用的A100鋼含有0.19%的碳，3.14%的鉻，激光束以1064nm波長、45W功率加熱局部表面，軟化樣品以用于隨后的沖擊，為了確保激光功率優化不受不同參數的影響，在整個實驗過程中，超聲納米晶表面改性（UNSM）設置保持不變：靜力50N，超聲振幅24μm，頻率20kHz，轉速15r/min，進給速度0.01mm/r，使用紅外相機監測LA-UNSM過程中樣品表面的熱分布，隨后團隊通過系統性的多尺度表征與統計對材料的微觀組織、疲勞性能和腐蝕性能的演變進行分析。

LA-UNSM 工藝示意與溫度分布圖

旋轉彎曲疲勞測試系統示意

【研究成果】

① 構建致密納米梯度組織層，實現顯著表面強化

經過LA-UNSM處理后，A100鋼表面晶粒由粗大板條馬氏體轉變為細小等軸晶與高密度位錯網格。塑性變形層厚度從傳統UNSM的~28μm提升至~72μm。顯微硬度測試表明，LA-UNSM后表面硬度達7.94GPa，較原始態提升43.6% ，硬化層深度約200μm。同時，位錯密度提升至4.89×10¹⁶m^-2，顯著高于UNSM的 3.81×10¹⁶m^-2。

表面組織演化

表面及深度方向顯微硬度分布

位錯密度分布梯度圖

② 形成深層壓應力場，有效抑制裂紋萌生

殘余應力測試結果顯示，LA-UNSM引入的最大壓應力達-1727MPa，作用深度達420μm。該深層應力場顯著提高了表層抗拉載荷能力，使疲勞裂紋萌生區由表面轉移至內部~315μm 處，延緩了裂紋萌生。

殘余應力沿深度分布

疲勞斷口形貌對比：（a）control；（b）UNSM；（c）LA-UNSM

③ 原位氧化膜與細晶結構協同提升抗腐蝕性能

掃描振動電極測試（SVET）顯示，經LA-UNSM處理后，A100鋼表面腐蝕電流密度顯著降低且分布更均勻，24h后電流轉為負值，表明形成了致密氧化保護層。CLSM與SEM形貌分析證實，表面腐蝕產物明顯減少，氧含量降低，說明Fe₂O₃膜及高密度LAGBs共同提高了抗蝕能力。

腐蝕電流密度演化

腐蝕后表面形貌（CLSM）

腐蝕產物SEM與EDS圖

④ 疲勞壽命顯著提升，實現強度與耐久的統一

在σ_max=1100 MPa條件下進行旋轉彎曲疲勞試驗，結果表明：

• 未處理樣品中位疲勞壽命≈9.6×10⁴次；

• 經UNSM處理樣品提升至1.36×10⁶次；

• 經LA-UNSM處理樣品高達2.38×10⁶次，提升約23.7倍。

同時，疲勞條紋間距由0.347μm縮小至0.231μm，說明裂紋擴展速率顯著降低。

疲勞壽命概率分析圖

疲勞壽命對比柱狀圖

疲勞條紋間距對比圖

⑤ 多場協同驅動的梯度強化與防護機制

激光加熱促進表面滑移系激活與原子擴散，使晶粒易于重排，超聲沖擊誘導高應變率塑性流動，兩者協同作用下，在A100鋼的表層形成“細晶+LAGBs+高密度位錯”的梯度納米晶層、壓應力場與氧化膜復合結構，最終起到了同時提升了抗腐蝕性與抗疲勞性的效果。

腐蝕機制示意圖

抗疲勞機制示意圖

【總結與展望】

綜上所述，激光和超聲波技術的這種協同作用有效地協調了超高強度鋼的強度和延展性，顯著增強了其耐腐蝕和抗疲勞能力，為航空航天、軍工與高端裝備等領域的高性能結構材料設計與壽命工程提供了新的技術理論基礎。