探索金屬材料疲勞強度理論極限取得新進展

　　【儀表網 研發快訊】疲勞強度是影響材料及構件可靠性的最關鍵指標之一。提高材料的疲勞強度不僅可以提高工程構件長期服役可靠性，還有助于實現構件輕量化，有效提高能源利用效率。前期，中國科學院金屬研究所材料疲勞與斷裂團隊分別與先進鋼鐵材料團隊、鈦合金團隊合作，成功地將GCr15軸承鋼拉-拉疲勞強度提高到1600 MPa，拉-壓疲勞強度提高到1103 MPa，并制備出具有超高比疲勞強度(217 MPa/(g/cm³))的近無微孔3D打印鈦合金，突破了拉-拉比疲勞強度世界紀錄。然而，探索材料疲勞強度的提升空間及優化原則仍是疲勞領域關鍵科學問題，近日，張哲峰研究員團隊以“How high can the fatigue strength of metals be achieved?”(“金屬疲勞強度可達多高？”)為題，報道了探索金屬材料疲勞強度理論上限的相關成果，提出了金屬材料抗疲勞設計“四原則”，并在冷拔珠光體鋼絲中實現了當前最高的拉-拉疲勞強度(2017 MPa)，將現有材料拉-拉疲勞強度世界紀錄(1600MPa)提高了26%。
 

　　針對如何抑制疲勞損傷發生，團隊從提高金屬材料疲勞強度理論上限出發提出抗疲勞設計“四原則”：1)高彈性模量，決定理論強度上限；2)“細穩勻”組織，保證無顯著強度弱區；3)極小尺寸夾雜/缺陷，降低局部應力集中；4)最優拉伸性能，兼具高彈性極限與應變硬化能力。基于上述原則，選擇傳統金屬材料(鋼、鋁合金、銅合金、鈦合金、高溫合金、鎂合金)中具有最高彈性模量的鋼，并具體到組織極細且穩定的珠光體鋼來探索疲勞強度理論上限。通過冷拔工藝消除弱取向片層，形成<110>織構(圖1a,b)，提升組織強度均勻性。通過固溶強化、加工硬化和晶界強化協同作用，實現2850 MPa超高彈性極限和3525 MPa超高抗拉強度。上述高強均勻組織可抑制滑移帶應變局部化導致的疲勞開裂，獲得超高理論疲勞強度。通過超純凈冶煉和后續多道次拉拔，實現珠光體鋼絲夾雜物平均尺寸僅1.38 μm(圖1c)，顯著降低應力集中。由于在現有冶煉水平下夾雜物不可避免，因此，通過優化拉拔工藝，使鋼絲在具有超高強度的同時仍保留一定應變硬化能力(圖1d-f)，從而降低夾雜物周圍組織應力集中程度。最終，在強<110>織構的納米片層組織冷拔珠光體鋼絲中，實現了拉-拉疲勞強度及拉-拉比疲勞強度世界紀錄的大幅提高(圖1h,i)。
 

　　該研究成果近日發表在《國家科學評論》(National Science Review)上，中國科學院金屬研究所特別研究助理許自寬博士和博士研究生蘇曉琳為共同第一作者，張鵬研究員和張哲峰研究員為論文共同通訊作者。該成果有望為多種金屬材料抗疲勞設計提供理論指導。
 

　　本研究工作得到中國科學院C類先導專項(XDC0260105)、國家自然科學基金創新研究群體(52321001)、重點(52130002)、面上項目(52371123和52494932)及金屬研究所創新基金培育項目(2024-PY07)的資助。
 

圖1. 金屬材料抗疲勞設計“四原則”及冷拔珠光體鋼絲疲勞強度突破世界紀錄