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    提高金屬材料疲勞強(qiáng)度是工程構(gòu)件安全服役的重要保障。作為目前已知疲勞強(qiáng)度最高的金屬結(jié)構(gòu)材料，高強(qiáng)鋼的拉伸強(qiáng)度已突破3GPa，但其拉-壓疲勞強(qiáng)度未能突破1GPa瓶頸。

　　中國科學(xué)院金屬研究所研究員張哲峰團(tuán)隊與中國科學(xué)院院士李殿中團(tuán)隊合作，在GCr15軸承鋼疲勞開裂模型與性能優(yōu)化研究方面取得進(jìn)展。該研究建立了夾雜物-強(qiáng)韌性協(xié)同調(diào)控理論，并采用稀土改性技術(shù)，將軸承鋼的拉-拉疲勞強(qiáng)度、拉-壓疲勞強(qiáng)度提升至新水平。

　　該研究分析了GCr15軸承鋼中TiN和Al2O3兩類夾雜物的疲勞開裂行為和疲勞壽命，揭示了兩類夾雜物類型對疲勞壽命影響的本質(zhì)在于它們的應(yīng)力集中效應(yīng)不同。定量模擬分析發(fā)現(xiàn)，在相同尺寸條件下，Al2O3夾雜物的疲勞壽命損傷系數(shù)較TiN高約30%。這為高強(qiáng)鋼冶煉過程中氮元素和氧元素的精準(zhǔn)控制提供了理論依據(jù)。

　　針對高強(qiáng)度狀態(tài)下夾雜物開裂導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降難題，該研究提出了疲勞開裂臨界夾雜物尺寸判據(jù)，建立了高強(qiáng)鋼疲勞開裂時抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性與夾雜物尺寸之間定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了在給定夾雜物參數(shù)條件下高強(qiáng)鋼強(qiáng)韌性能協(xié)同優(yōu)化抗疲勞的目標(biāo)，為高強(qiáng)鋼疲勞強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計與制造提供了新的理論判據(jù)。

　　進(jìn)一步，該研究對GCr15軸承鋼進(jìn)行稀土添加改性，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(yīng)力集中程度。在夾雜物控制基礎(chǔ)上，研究結(jié)合疲勞強(qiáng)度優(yōu)化判據(jù)，將其熱處理調(diào)至最優(yōu)狀態(tài)，獲得了拉-拉疲勞強(qiáng)度1600MPa，拉-壓疲勞強(qiáng)度1103MPa的抗疲勞高強(qiáng)鋼，分別比現(xiàn)有拉-拉疲勞強(qiáng)度和拉-壓疲勞強(qiáng)度世界紀(jì)錄提高4%和10%。

　　該研究建立了夾雜物控制-強(qiáng)韌性能匹配-缺陷界面優(yōu)化的系統(tǒng)性抗疲勞理論框架，為航空航天、軌道交通等領(lǐng)域的高端軸承材料研發(fā)提供了新技術(shù)路線。

　　近期，相關(guān)研究成果分別發(fā)表在《材料學(xué)報》（Acta Materialia）和《材料科學(xué)與技術(shù)雜志》（Journal of Materials Science & Technology）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。

高強(qiáng)鋼疲勞強(qiáng)度突破：（a）拉-拉疲勞強(qiáng)度、（b）拉-壓疲勞強(qiáng)度