中科院金属所张哲峰团队联合多机构在Acta Materialia发表钢的最高疲劳强度研究论文

3 月 2 日，本公众号对中科院金属所张哲峰、张鹏研究团队的报道进行了介绍。近日，该团队与中科院金属所李殿中院士团队以及美国加州大学伯克利分校 R.O. Ritchie 教授进行了联合。他们在 Acta Materialia 上进一步报道了一篇研究论文，其标题为“The highest fatigue strength for steels（钢的最高疲劳强度）”。值得注意，1600MPa 疲劳强度钢论文里的疲劳试验采用的是应力比 R = 0.1 的拉拉疲劳。而在本文所介绍的 Acta Materialia 论文中，疲劳试验使用的是应力比 R = -1 的拉压疲劳，这种条件更为严格。

钢的最高疲劳强度

【背景和问题】

金属材料的疲劳失效是工程结构常见的破坏形式之一。在循环应力作用下，材料的疲劳强度对其使用寿命和安全性有直接影响。高强度材料的抗拉强度在不断提升，然而其疲劳强度却难以同步提高。比如，许多高强度钢的抗拉强度已超过 3GPa，但它们的拉压疲劳强度通常不超过 1GPa，这已成为材料科学领域的关键瓶颈。传统方法是借助提升材料的抗拉强度，以此来强化疲劳性能。然而，这种方法在高强度钢领域的成效较为有限，原因在于疲劳裂纹的萌生以及扩展通常与材料内部的微观缺陷有着紧密的关联。比如说，GCr15 轴承钢当中的非金属夹杂物乃是疲劳裂纹的主要萌生源头，并且其尺寸以及分布对疲劳性能会产生显著的影响。近年来，添加稀土元素来改善夹杂物的尺寸和分布，这被证明是提升疲劳强度的一种途径。同时，优化热处理工艺以及调控微观组织，也被证明是提升疲劳强度的有效方式。然而，高强度钢的疲劳强度至今仍未突破现有的极限。所以，怎样通过微观组织调控和缺陷控制来进一步提升高强度钢的疲劳性能，依然是材料科学领域亟待解决的重要问题。

【主要方法】

本研究选用两种纯净度不同的高碳铬轴承钢即 GCr15，利用电渣重熔（GER）这一工艺以及真空冶炼并添加稀土元素（RES）这一工艺来进行制备。通过传统的热处理工艺，也就是在奥氏体化之后对其进行不同温度的回火处理，从而获得了具有不同抗拉强度的样品。实验中，运用多种方式对微观组织以及夹杂物进行描绘和呈现；力学性能的测试包含拉伸试验以及高周疲劳试验（R = -1）；利用有限元方法对夹杂物的应力分布进行模拟分析，探究其形状、尺寸和界面结构对疲劳性能所产生的影响。这些方法相互配合、共同发挥作用，揭示了通过对微观组织进行调控以及对缺陷进行优化，从而提升高强度钢疲劳性能的机理。

本研究的对象是 GCr15 轴承钢，通过对微观组织和缺陷进行精确调控，在 R=-1 拉压疲劳条件下，实现了钢的最高疲劳强度，其数值为 1103 MPa。具体方法有以下这些：其一，借助添加微量稀土元素这一方式来改善夹杂物的塑性，以避免其出现脆性断裂的情况；其二，构建新的可剪切夹杂物与基体的界面结构，从而增强协同变形的能力；其三，通过对热处理工艺进行调整，来优化抗拉强度与塑性之间的协同效应，降低夹杂物处疲劳裂纹产生的倾向。

【结果和意义】

【论文信息】

图片摘要，是 Peng Wang 等人在 Acta Materilia 杂志上发表的成果，时间为 2025 年。

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