導讀：根據鋼材發展的趨勢--普通化和高性能化，本文設計了一種具有超高機械性能和優異性價比的梯度納米結構普通鋼。這種多尺度設計是通過在經過淬火-分化-回火（Q-P-T）工藝的普通鋼基體中使用表面機械研磨處理（SMAT）實現的。Q-P-T和SMAT 工藝的整合有效地實現了高機械性能基體的梯度表面納米結晶。這種梯度納米結構在晶粒細化的同時，還呈現出一種梯度壓應力環境，可有效防止裂紋的形成和擴展。因此，在高循環（107）下可獲得超高疲勞強度（高達820 兆帕），同時具有顯著的性價比（1653.1兆帕-公斤/美元），是馬氏體時效鋼的14 倍。梯度納米結構普通鋼的多尺度設計不僅打破了耐久性與成本之間的權衡，還為高碳普通鋼賦予顯著的耐久性鋪平了道路。

普通化、高強度和高延展性鋼材一直是鋼材發展的主要趨勢，尤其是汽車行業。然而，強度的提高通常會帶來延展性的降低，這就是所謂的強度-延展性權衡。綜述表明，自 20 世紀以來，碳含量的增加提高了鋼的強度，但同時也降低了延展性和其他性能。因此，通過增加低成本碳的含量來解決強度和延展性之間的權衡問題是研究人員一個世紀以來的追求。為了解決這一問題，研究人員在許多不同的方向上做出了巨大的努力，其中之一就是通過設計新型工藝實現高性能的高碳普碳鋼。

在本研究中，我們通過巧妙的多尺度設計創建了梯度納米結構，從而獲得了具有超高疲勞強度和顯著性價比的普通鋼。通過 QPT-LE 模型優化普通鋼的元素含量（高、中、低碳 Fe-Mn-Si-Nb）和 Q-P-T 工藝參數，構建了具有高機械性能的基體。此外，SMAT 還有效地實現了 Q-P-T 鋼基體的表面梯度納米結晶。這種結構可產生具有梯度壓應力和晶粒細化的環境，從而有效防止裂紋的產生和擴展，并進一步提高疲勞強度。這種高碳普通鋼中梯度納米結構的多尺度設計突破了耐久性與成本之間的權衡，為高碳普通鋼獲得顯著的疲勞性能鋪平了道路。

22C-1.49Mn-1.52Si-0.035Nb（重量百分比）、Fe-0.42C-1.48Mn-1.51Si-0.034Nb（重量百分比）和Fe-0.69C-1.56Mn-1.51Si-0.052Nb（重量百分比）。根據 QPT-LE 模型模擬和大量實驗，確定了 Q-P-T 工藝的優化參數，從而使三種碳含量鋼的拉伸和疲勞性能達到最佳（圖 S1a）。獲得的 Q-P-T (L)、Q-P-T (M) 和 Q-P-T (H) 鋼分別在 SMAT 設備中以 11.5 米/秒的初始速度用氧化鋯顆粒（質量 = 20 克，直徑 = 3 毫米）處理 10 分鐘、20 分鐘和 40 分鐘（圖 S1b）。圓形拉伸試樣是按照 ASTM E8M 制備的。拉伸試樣在室溫下使用 Zwick/Roell Z100 萬能試驗機進行測試，應變速率為 0.5 毫米/分鐘，拉伸計的量規長度為 30 毫米。疲勞試樣按照 ASTM E466 標準制備。試樣使用 QBWP-6000 簡單支撐梁旋轉彎曲疲勞試驗機進行測試，應力比（R）為-1.0，轉速為 5000 r/min。材料采用各種技術進行表征，方法的詳細信息見補充材料。

該研究由上海交通大學陳乃錄，左訓偉等人聯合完成

相關研究成果以“Ultrahigh fatigue strength of gradient nanostructured plain steel”發表在Scripta Materialia上

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646224002781?via%3Dihub

圖 1. 經 Q-P-T 和 SMAT 處理的低碳鋼、中碳鋼和

高碳鋼的拉伸和疲勞性能，以及與其他金屬材料的比較。(a) Q-P-T 鋼和Q-P-T+SMAT 鋼拉伸測試期間的工程應力-應變曲線。(b) Q-P-T 和Q-P-T+SMAT 鋼的最大應力（應力比(R) =-1.0）與失效循環次數的關系曲線，橙色、紅色和藍色數據點分別代表Q-P-T(L)、Q-P-T(M)和Q-P-T(H)鋼，實心數據點代表不同碳含量的Q-P-T+SMAT 鋼，空心數據點代表Q-P-T 鋼。(c) Q-P-T(H)鋼和Q-P-T(H)+SMAT鋼的PSE 與均勻伸長率，與其他高拉伸性能鋼的比較, . (d) Q-P-T(H)鋼和Q-P-T(H)+SMAT鋼與其他工程鋼相比的疲勞極限與每美元原材料成本的數量（千克）關系。

圖 2. Q-P-T+SMAT 鋼的梯度納米結構。(a) 1（Q-P-T(L)）、2（Q-P-T(M)）、3（Q-P-T(H)）、4（Q-P-T(L)+SMAT）、5（Q-P-T(M)+SMAT）和6（Q-P-T(H)+SMAT）鋼的高循環疲勞斷口形貌的掃描電鏡圖像，包括裂紋起始點和裂紋擴展方向，以及相應的應力振幅和失效循環。(b)具有晶粒尺寸梯度分布的Q-P-T(H)+SMAT 鋼的EBSD 方向圖（正方形和矩形面分別對應試樣表面和橫截面）。

圖 3. 納米晶區、過渡區和基體區的 TEM 圖像。(a)納米馬氏體的BF 和DF 圖像以及插入的SAED 圖形。(b)馬氏體孿晶。(c)具有K-S 取向關系的位錯型馬氏體板條和RA。(d) NbC 碳化物，以及(e) η碳化物。

圖 4. SMAT 后高碳 Q-P-T 鋼拉伸和疲勞性能的增強機理。(a)高碳Q-P-T 鋼拉伸和疲勞性能的增強機理，粉色和藍色塊分別代表馬氏體和奧氏體，顏色越淺碳含量越低。(b) Q-P-T(H)鋼通過SMAT 與馬氏體時效鋼的顯微組織比較。在SMAT 之后，高碳Q-P-T 鋼的馬氏體晶粒呈梯度分布，并析出碳化物，同時伴有壓應力；而馬氏體時效鋼則呈現均勻的馬氏體和奧氏體分布，并析出碳化物和Ni3Ti。

圖 5. QPT-LE 模型模擬結果，分區過程中碳含量隨位置的變化：（a）馬氏體和（b）奧氏體。(a)中的陰影區域表示碳化物在馬氏體左側形成。(c)使用逐層XLPA 測量計算的馬氏體（黑色）和奧氏體（紅色）位錯密度與表面不同深度的關系。(d)通過XRD方法測量的殘余應力、與2θ曲線和經過 Q-P-T 和 Q-P-T+SMAT 處理的低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼的擬合線。的斜率與2θ曲線的斜率通過線性擬合得到，表面殘余應力可通過插入式計算得出，上半部分代表壓應力，下半部分代表拉應力。

總之，我們以具有優異拉伸性能（PSE：48 GPa%）的高碳Q-P-T 普通鋼為基礎，通過SMAT 工藝開發了梯度納米結構，并獲得了高循環（107）下的疲勞強度極限（820 兆帕）。就疲勞性能而言，這一卓越的性價比（1653.1 兆帕 kg/美元）是 18Ni 馬氏體時效鋼（115.2 兆帕 kg/美元）的 14 倍。Q-P-T 工藝導致馬氏體軟化和 DAMAI 效應產生的 RA 硬化，實現了強度和延展性的同步提高。以高碳 Q-P-T 普通鋼為基體，SMAT 創建了梯度納米結構，這種結構可產生具有梯度壓應力和更多晶界的微環境，阻止裂紋的萌生和擴展，從而顯著改善疲勞性能。梯度納米結構普通鋼的多尺度設計不僅突破了耐久性與成本之間的權衡，而且還為高碳普通鋼賦予顯著的耐久性鋪平了道路。