高強鋼疲勞強度突破：強韌性與夾雜物的“平衡術”

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

^*(中國科學院金屬研究所，沈陽 110016)

提高金屬材料疲勞強度是工程構件安全服役的重要保障。作為目前已知疲勞強度最高的金屬結構材料，高強鋼的拉伸強度早已突破3 GPa，但其拉-壓疲勞強度長期未能突破1 GPa的瓶頸。近日，張哲峰研究員團隊與李殿中院士團隊合作，在GCr15軸承鋼疲勞開裂模型與性能優化方面取得新的突破：通過建立夾雜物-強韌性協同調控理論，并采用稀土改性技術，成功地將軸承鋼的拉-拉疲勞強度提高到1600MPa，拉-壓疲勞強度提升至1103 MPa，較現有拉-拉、拉-壓疲勞強度世界紀錄分別提高4%和10%。

1. 夾雜物-強韌性協同調控理論

首先，研究團隊通過系統分析GCr15軸承鋼中TiN和Al₂O₃兩類夾雜物的疲勞開裂行為及疲勞壽命，揭示了兩類夾雜物類型對疲勞壽命影響的本質在于其應力集中效應的顯著不同。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較TiN高約30%，這為高強鋼冶煉過程中氮、氧元素的精準控制提供了理論依據。

圖1. 夾雜物疲勞開裂判據

其次，針對高強度狀態下夾雜物開裂導致疲勞強度下降的難題，研究團隊創新性提出了"疲勞開裂臨界夾雜物尺寸判據"，建立了高強鋼疲勞開裂時抗拉強度、斷裂韌性與夾雜物尺寸之間定量關系，成功實現了在給定夾雜物參數條件下高強鋼強韌性能協同優化抗疲勞的目標，為高強鋼疲勞強度優化設計與制造提供了新的理論判據。

2. 疲勞強度突破

隨后，對GCr15軸承鋼進行稀土添加改性，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力集中程度。在夾雜物控制基礎上，結合疲勞強度優化判據，將其熱處理調至最優狀態，獲得了拉-拉疲勞強度1600MPa，拉-壓疲勞強度1103MPa的抗疲勞高強鋼，分別比現有拉-拉疲勞強度(1538MPa)和拉-壓疲勞強度(1000MPa)世界紀錄提高4%和10%。

圖2. 高強鋼疲勞強度突破：(a) 拉-拉疲勞強度；(b) 拉-壓疲勞強度

近期，上述關于拉-壓、拉-拉疲勞強度突破的研究成果分別發表在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加州伯克利分校的RO Ritchie教授。

該研究成果不僅打破了高強鋼疲勞強度世界紀錄，更重要的是建立了"夾雜物控制-強韌性能匹配-缺陷界面優化"的系統性抗疲勞理論框架，為航空航天、軌道交通等關鍵領域高端軸承材料研發提供了全新的技術路線。

本研究工作得到中國科學院C類先導專項(XDC04040502)、國家自然科學基金創新研究群體(52321001)、重點(52130002)、面上項目(52371123)及國家重點研發計劃(2022YFB3705203)資助。

相關成果已發表如下：

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

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

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