據(jù)廣泛報(bào)道，材料在低于其靜態(tài)強(qiáng)度的重復(fù)應(yīng)力下易發(fā)生失效，這通常被稱為疲勞失效。早在19世紀(jì)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(huán)下的循環(huán)應(yīng)力幅度，低于此值某些材料可以表現(xiàn)出無限壽命而不失效（盡管在更高的循環(huán)次數(shù)約10^9次或更多時(shí)，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(huán)下能夠承受的疲勞強(qiáng)度而不失效。因此，無論是作為疲勞極限還是耐久強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度作為一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，定義了材料在交變載荷下的性能，特別是評(píng)估工程部件在使用條件下能否安全服役。盡管在循環(huán)推拉載荷下的疲勞強(qiáng)度可能低于同一材料在其他循環(huán)載荷模式下的疲勞強(qiáng)度，例如滾動(dòng)接觸疲勞、旋轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在本研究中，疲勞強(qiáng)度被定義為在推拉載荷下10^7次循環(huán)的疲勞極限。

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

對(duì)于特定的鋼材，原則上其疲勞強(qiáng)度取決于加工溫度和時(shí)間，因此合理控制溫度和時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)最佳的疲勞強(qiáng)度。然而，關(guān)鍵問題在于通常不知道獲得最佳疲勞強(qiáng)度所需的基本加工溫度和時(shí)間。大約150年前，Wöhler首次提出了低強(qiáng)度和中等強(qiáng)度材料的疲勞強(qiáng)度σw與拉伸強(qiáng)度σb之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系（σw = mσb，其中m為常數(shù)）。自那時(shí)以來，提高材料的拉伸強(qiáng)度一直是提高疲勞（耐久）強(qiáng)度的常規(guī)手段。然而，這種方法存在缺陷，因?yàn)樵谠S多高強(qiáng)度鋼中不滿足這一要求，因?yàn)樗鼈兊钠趶?qiáng)度對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和缺陷更為敏感。最近的研究詳細(xì)表明，當(dāng)拉伸強(qiáng)度超過某個(gè)臨界值時(shí)，這些高強(qiáng)度材料的疲勞強(qiáng)度表現(xiàn)出一種拋物線關(guān)系，隨著拉伸強(qiáng)度的增加，疲勞強(qiáng)度先增加后減少。具體而言，拉伸強(qiáng)度越高，高強(qiáng)度材料對(duì)缺陷和其他應(yīng)力集中點(diǎn)的存在以及微觀結(jié)構(gòu)的敏感性越強(qiáng)。對(duì)于高強(qiáng)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(qiáng)度的增加，疲勞性能自然對(duì)夾雜物尺寸更加敏感。因此，夾雜物被認(rèn)為是高強(qiáng)度鋼疲勞強(qiáng)度無法進(jìn)一步提高的主要原因之一，增強(qiáng)這些鋼的疲勞強(qiáng)度的一個(gè)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(qiáng)度仍低于預(yù)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(yīng)的疲勞壽命。添加這些稀土確實(shí)在循環(huán)推拉載荷下將疲勞強(qiáng)度提高到約880 MPa（10^7次循環(huán)）和約787 MPa（10^9次循環(huán)），但仍未能打破GCr15軸承鋼的疲勞強(qiáng)度記錄。由于稀土添加對(duì)疲勞損傷的影響顯然需要進(jìn)一步澄清，本研究中的觀點(diǎn)是，必須考慮夾雜物和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)疲勞強(qiáng)度的耦合效應(yīng)。因此，研究最終目標(biāo)是使用高碳鉻GCr15軸承鋼實(shí)現(xiàn)迄今為止鋼材的最高疲勞強(qiáng)度。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 實(shí)驗(yàn)樣本的形狀和尺寸，單位為毫米。(a) 拉伸試驗(yàn)；(b) 高循環(huán)疲勞試驗(yàn)。

圖2. 在疲勞起始點(diǎn)的對(duì)稱掃描電子顯微鏡（SEM）形態(tài)，展示了同一疲勞斷裂試樣的兩個(gè)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(diǎn)的不同類型夾雜物的百分比。

圖3. 不同類型夾雜物內(nèi)部的掃描透射電子顯微鏡（STEM）形態(tài)。(a) GER鋼中球形氧化物（Al2O3）的高角環(huán)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(yīng)的選區(qū)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(nèi)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(cuò)（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(yīng)的GND密度映射。(e) 平均GND密度變化與遠(yuǎn)離界面的距離之間的關(guān)系。虛線在(b, d)中指示了遠(yuǎn)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(tài)。基于電解法提取的夾雜物的三維掃描電子顯微鏡形態(tài)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)狀態(tài)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(qiáng)度與均勻延伸率之間的關(guān)系。誤差條表示測量的相應(yīng)抗拉強(qiáng)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(qiáng)度評(píng)估與其他鋼材的比較。(a) 疲勞強(qiáng)度測試的階梯圖和(b) 不同回火溫度下兩種軸承鋼的應(yīng)力幅值與循環(huán)次數(shù)(S-N)曲線。(c) 本研究中兩種軸承鋼的抗拉強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度之間的關(guān)系，以及各種已報(bào)道的高強(qiáng)度鋼的對(duì)比。

結(jié)論

提高工程材料的疲勞強(qiáng)度是確保關(guān)鍵部件安全的最重要策略。遺憾的是，盡管大量高強(qiáng)度材料的抗拉強(qiáng)度超過3 GPa，但在拉壓加載下，其疲勞強(qiáng)度并未超過1 GPa。在此，報(bào)告了迄今為止在GCr15軸承鋼中，在拉壓加載下實(shí)現(xiàn)的最高疲勞強(qiáng)度（1103 MPa），這一成就得益于對(duì)微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升了它們的協(xié)同變形能力。第三，通過調(diào)整熱處理，減少夾雜物的疲勞開裂傾向，實(shí)現(xiàn)了抗拉強(qiáng)度與塑性之間的優(yōu)良協(xié)同。這些新發(fā)現(xiàn)為如何通過微觀結(jié)構(gòu)調(diào)整和缺陷控制提高高強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度提供了深刻的見解。這一策略可以通過現(xiàn)有的工業(yè)技術(shù)輕松實(shí)現(xiàn)，并為改善其他高強(qiáng)度金屬材料的疲勞性能提供了一個(gè)有前景且有效的程序。