高强钢疲劳强度突破：强韧性与夹杂物的“平衡术”

王  鹏^*，许自宽^*，王  斌^*，张  鹏^*，李殿中^*，张哲峰^*

^*(中国科学院金属研究所，沈阳 110016)

提高金属材料疲劳强度是工程构件安全服役的重要保障。作为目前已知疲劳强度最高的金属结构材料，高强钢的拉伸强度早已突破3 GPa，但其拉-压疲劳强度长期未能突破1 GPa的瓶颈。近日，张哲峰研究员团队与李殿中院士团队合作，在GCr15轴承钢疲劳开裂模型与性能优化方面取得新的突破：通过建立夹杂物-强韧性协同调控理论，并采用稀土改性技术，成功地将轴承钢的拉-拉疲劳强度提高到1600MPa，拉-压疲劳强度提升至1103 MPa，较现有拉-拉、拉-压疲劳强度世界纪录分别提高4%和10%。

1. 夹杂物-强韧性协同调控理论

首先，研究团队通过系统分析GCr15轴承钢中TiN和Al₂O₃两类夹杂物的疲劳开裂行为及疲劳寿命，揭示了两类夹杂物类型对疲劳寿命影响的本质在于其应力集中效应的显著不同。定量模拟分析表明：在相同尺寸条件下，Al₂O₃夹杂物的疲劳寿命损伤系数较TiN高约30%，这为高强钢冶炼过程中氮、氧元素的精准控制提供了理论依据。

图1. 夹杂物疲劳开裂判据

其次，针对高强度状态下夹杂物开裂导致疲劳强度下降的难题，研究团队创新性提出了"疲劳开裂临界夹杂物尺寸判据"，建立了高强钢疲劳开裂时抗拉强度、断裂韧性与夹杂物尺寸之间定量关系，成功实现了在给定夹杂物参数条件下高强钢强韧性能协同优化抗疲劳的目标，为高强钢疲劳强度优化设计与制造提供了新的理论判据。

2. 疲劳强度突破

随后，对GCr15轴承钢进行稀土添加改性，显著降低了夹杂物尺寸，提升了夹杂物在疲劳载荷下的变形能力，形成了可剪切变形的夹杂物-基体界面，从而降低了夹杂物引起的应力集中程度。在夹杂物控制基础上，结合疲劳强度优化判据，将其热处理调至最优状态，获得了拉-拉疲劳强度1600MPa，拉-压疲劳强度1103MPa的抗疲劳高强钢，分别比现有拉-拉疲劳强度(1538MPa)和拉-压疲劳强度(1000MPa)世界纪录提高4%和10%。

图2. 高强钢疲劳强度突破：(a) 拉-拉疲劳强度；(b) 拉-压疲劳强度

近期，上述关于拉-压、拉-拉疲劳强度突破的研究成果分别发表在Acta Materialia和Journal of Materials Science Technology上，第一作者为王鹏博士、许自宽博士；通讯作者为张鹏研究员、李殿中院士、张哲峰研究员和美国加州伯克利分校的RO Ritchie教授。

该研究成果不仅打破了高强钢疲劳强度世界纪录，更重要的是建立了"夹杂物控制-强韧性能匹配-缺陷界面优化"的系统性抗疲劳理论框架，为航空航天、轨道交通等关键领域高端轴承材料研发提供了全新的技术路线。

本研究工作得到中国科学院C类先导专项(XDC04040502)、国家自然科学基金创新研究群体(52321001)、重点(52130002)、面上项目(52371123)及国家重点研发计划(2022YFB3705203)资助。

相关成果已发表如下：

1.疲劳损伤夹杂物类型修正模型：Scripta Mater. 206 (2022) 114232 (https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114232)

2.疲劳开裂临界夹杂物尺寸判据：J. Mater. Sci. Technol. 154 (2023) 114-128 (https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.02.006)

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

4.拉-压疲劳强度突破：Acta Mater. 289 (2025) 120888 (https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120888)